کنترل سرعت موتور BLDC: حلقه باز، حلقه بسته و PID توضیح داده شده است

چرا موتورهای BLDC به کنترل سرعت فعال نیاز دارند؟

یک موتور DC برس خورده به روشی نسبتاً مستقیم سرعت خود را کاهش می دهد یا سرعت می دهد - ولتاژ را در سراسر برس ها تغییر دهید و موتور پاسخ می دهد. موتور DC بدون جاروبک (BLDC) آن لوکس را ندارد. بدون برس و یک کموتاتور مکانیکی، چیز دیگری باید تصمیم بگیرد که کدام سیم پیچ در چه لحظه ای انرژی می گیرد، و همان سیستم در نهایت مسئول سرعت نیز می شود.

آن "چیز دیگر" کنترل کننده موتور است. این جریان را از طریق سیم‌پیچ‌های سه فاز به ترتیب صحیح تغییر می‌دهد تا موتور بچرخد، و با تنظیم نحوه انجام سوئیچینگ، سرعت چرخش روتور را نیز تنظیم می‌کند. استراتژی کنترل را اشتباه بگیرید و موتور یا نمی تواند به سرعت خواسته شده برسد یا به جای ثابت نگه داشتن شکار می کند و نوسان می کند - مشکلی که دائماً در موتورهای هاب معمولاً با درایوهای BLDC کنترل شده با سرعت جفت می شوند در دوچرخه‌های الکترونیکی و خودروهای الکتریکی سبک، که در آن راکبان انتظار دارند واکنش دریچه گاز فوری و خطی باشد.

کنترل سرعت حلقه باز: چرخه وظیفه PWM

ساده ترین راه برای کنترل سرعت موتور BLDC حلقه باز است: کنترل کننده چرخه وظیفه مدولاسیون عرض پالس (PWM) را تنظیم می کند که ترانزیستورهای قدرت را تغذیه می کند، که ولتاژ متوسط اعمال شده به سیم پیچ ها را تغییر می دهد و سرعت را تغییر می دهد. چرخه کاری بالاتر، ولتاژ متوسط ​​بیشتر، چرخش سریعتر. هیچ حلقه بازخوردی بررسی نمی‌کند که آیا موتور واقعاً به سرعت درخواستی رسیده است یا خیر - کنترل‌کننده فقط به یک چرخه کاری فرمان می‌دهد و به موتور اعتماد می‌کند که آن را دنبال کند.

این رویکرد رایج است زیرا ارزان و ساده برای پیاده سازی، و راهنمای کاربردی تگزاس اینسترومنتز در مورد کنترل حسگر BLDC اشاره می کند که به طور خاص در سیستم هایی که رابطه بین ورودی و سرعت حاصل قابل پیش بینی است و ردیابی دقیق آن حیاتی نیست، به خوبی کار می کند. مبادله تحت بار متغیر نشان داده می شود: بدون بازخورد، افزایش ناگهانی بار سرعت را کاهش می دهد و کنترل کننده راهی ندارد که بداند نیاز به جبران دارد.

کنترل سرعت حلقه بسته: سنسورهای سالن و بازخورد

کنترل حلقه بسته این نقطه کور را با افزودن یک سیگنال بازخورد حل می کند - معمولاً از سنسورهای جلوه هال که قبلاً برای جابجایی وجود دارد، گاهی اوقات از یک رمزگذار اختصاصی. کنترل کننده به طور مداوم سرعت واقعی را با هدف مقایسه می کند، خطا را محاسبه می کند و چرخه وظیفه PWM را در زمان واقعی تنظیم می کند تا شکاف را ببندد.

از آنجایی که سنسورهای هال از قبل موقعیت روتور را برای اهداف کموتاسیون گزارش می‌کنند، استخراج سرعت از زمان‌بندی بین انتقال حالت هال هزینه سخت‌افزاری کمی اضافه می‌کند. این امر کنترل حلقه بسته مبتنی بر هال را به انتخاب پیش‌فرض در اکثر برنامه‌های تجاری BLDC تبدیل می‌کند - بدون نیاز به سنسور سرعت جداگانه، سرعت را با تغییر بار ثابت نگه می‌دارد.

کنترل PI و PID: الگوریتم‌های پشت دقت حلقه بسته

محاسبات درونی کنترل حلقه بسته معمولاً به یک کنترلر PI یا PID می رسد که بر روی خطای بین سرعت هدف و سرعت واقعی عمل می کند.

یک کنترل‌کننده PI (متناسب-انتگرال) یک عبارت متناسب را که به خطای فعلی واکنش نشان می‌دهد با یک عبارت انتگرالی که خطای گذشته را در طول زمان انباشته می‌کند، ترکیب می‌کند، که جبران خفیف حالت پایدار کوچکی را که یک عبارت تناسبی به تنهایی پشت سر می‌گذارد، حذف می‌کند. افزودن یک عبارت مشتق، آن را به یک کنترل‌کننده PID کامل تبدیل می‌کند، که به سرعت تغییر خطا نیز واکنش نشان می‌دهد - برای میرایی بیش از حد در سیستم‌هایی که نیاز دارند به سرعت روی سرعت هدف قرار گیرند بدون اینکه از آن عبور کنند، مفید است.

کنترل PI معمولاً پیش‌فرض عملی برای تنظیم سرعت همه منظوره است، زیرا تنظیم آن ساده‌تر است و نسبت به یک حلقه PID کامل نسبت به نویز حسگر حساس‌تر است. PID پیچیدگی اضافی خود را در کاربردهایی مانند روباتیک یا هواپیماهای بدون سرنشین به دست می آورد، جایی که نشست سریع و دقیق با سرعت جدید بیشتر از سادگی تنظیم اهمیت دارد.

چگونه انتخاب کنترلر بر کیفیت کنترل سرعت در دنیای واقعی تأثیر می گذارد

الگوریتم کنترل فقط به خوبی سخت افزاری که آن را اجرا می کند عمل می کند. کنترل‌کننده‌ای با حلقه کنترل آهسته یا سنجش جریان ضعیف، حتی با بهره‌های PID به‌خوبی تنظیم‌شده، همچنان شکار می‌کند و عقب می‌افتد، به همین دلیل است که سرعت پاسخ به عنوان یک مشخصات سخت‌افزاری اهمیت دارد، نه فقط یک نرم‌افزار. یک کنترلر با واکنش سریع که برای تصحیح سریع سرعت تنظیم شده است تأخیر بین تغییر بار و پاسخ جبران کننده کنترلر را کوتاه می کند، که در واقع تعیین می کند که موتور در نوسانات بار در دنیای واقعی تا چه حد ثابت می ماند نه در تست نیمکت تمیز.

فرکانس سوئیچینگ PWM و تعامل آن با سیم‌پیچ‌های موتور نیز بر جنبه شنیداری و مکانیکی کنترل سرعت تأثیر می‌گذارد - یک طرح سوئیچینگ با تنظیم بد می‌تواند ناله یا لرزشی ایجاد کند که با تغییر چرخه کار بدتر می‌شود. یک کنترل کننده فوق العاده بی صدا که نویز سوئیچینگ PWM را در سرعت پایین نگه می دارد به طور مستقیم به این موضوع می پردازد، که در برنامه های مصرف کننده مهم است، جایی که صدای موتور شنیداری به همان اندازه عملکرد خام باعث شکایت می شود.

تطبیق کنترل کننده با موتور برای کنترل سرعت قابل اعتماد

حتی یک کنترلر حلقه بسته که به خوبی طراحی شده است، نمی تواند عدم تطابق بین رتبه فعلی، پیکربندی سنسور هال و موتوری که در حال رانندگی است را جبران کند. تعداد قطب‌ها، مقاومت فاز و زمان‌بندی سنسور همگی بر میزان تمیزی کنترل‌کننده می‌توانند بازخوردها را بخواند و پاسخ دهد، و جفت‌های ناهماهنگ به‌عنوان عملکرد خشن در سرعت پایین، گرمای بیش از حد یا کنترل سرعت نشان داده می‌شوند که هرگز کاملاً ثابت نمی‌شوند. راهنمای جفت شدن کنترلر و موتور ما چگونگی بررسی اینکه آیا مشخصات یک کنترلر واقعاً با موتوری که قرار است پیش از آن رانده شود، مطابقت دارد، قبل از اینکه این مشکلات در میدان ظاهر شوند را پوشش می دهد.

برای خوانندگانی که می‌خواهند به نحوه پیاده‌سازی خود الگوریتم کنترل در سیستم‌افزار عمیق‌تر بپردازند، نگاه عمیق‌تر ما به لایه نرم‌افزاری در پشت کنترل‌کننده‌های موتور مدرن چگونگی ساختار و تنظیم این حلقه های کنترل در سطح سیستم عامل را پوشش می دهد.