低成本BLDC和PMSM电机控制

幻灯片C14L19MC2低成本BLDC和PMSM电机控制1幻灯片课程安排BLDC电机控制续流和振铃偏移和平衡转矩脉动PID控制CLC模块PSMC模块总结2幻灯片课程目标当您完成本课程时，您将了解到...如何拖动BLDC电机如何应对反电动势检测中的两个干扰如何以更好的方法进行无传感电机控制的换相如何对BLDC电机进行速度控制如何使用PIC16F1509和PIC16F17833幻灯片基本电机理论4幻灯片基本电机理论什么是电机？电机将电能转换为机械能磁场会对运动电荷产生力的作用如何转换？F=IxB5幻灯片左手法则IBFIBF=IxBNSF6幻灯片电机转矩转矩产生考虑F的方向，T=Frsinθ7幻灯片电机转矩总结T（转矩）=F（力）*D（距离）F=IxBT=(IxB)*D当B和D恒定时，T=K*IA当磁场为绕线式时，B=K*IF在绕线式直流电机中，转矩和磁通B可以独立控制8幻灯片电机转矩BBSNIBFT=FxDDFF9幻灯片无刷直流电机控制算法10幻灯片什么是换相？旋转电场产生此旋转电场与转子永磁体进行同步，以产生连续转矩使电机保持转动11幻灯片六步换相对于三相电机，每次驱动2相绕组单次旋转可划分为6个扇区每个扇区代表绕组的一种不同驱动配置12345612幻灯片BLDC的六步换相——每个电气旋转周期有六步任意时刻两相绕组通电，一相未通电可以检测未通电绕组的电压（反电动势）相电流为矩形波需要较低的MCU处理能力产生更多的转矩脉动换相之间的转子位置未知需要位置信息霍尔传感器指示换相点无传感器情况下，反电动势（BEMF）过零点13幻灯片六步BLDC控制+转矩触发BRGQ1Q3Q2Q4Q6Q5绿色绕组Q1,Q5Q1,Q6Q2,Q6Q2,Q4Q3,Q4Q3,Q560o霍尔传感器A霍尔传感器B霍尔传感器CQ1,Q5Q1,Q6Q3,Q5扇区5霍尔传感器状态01254623341550416蓝色绕组红色绕组14幻灯片无刷直流电机励磁100RBrrggbbGcomcomcom110010011101001RGB15幻灯片无刷直流驱动所需的PIC®MCU或dsPIC®DSC特性lPWMl故障关断l10位高速ADCl内部比较器l电平变化通知l正交编码器l内部定时器16幻灯片无传感器BLDC无传感器可以消除霍尔效应传感器和线缆成本对于高速电机或BEMF信号失真的电机，对BEMF进行FIR滤波或使用“择多检测”的方法会有所帮助ADC（或比较器）支持对电机的相BEMF电压进行采样根据此电压，CPU可以确定转子位置并驱动电机控制PWM模块相R相BG相17幻灯片BLDC电机设计流程图2Phaseor3PhaseMotor?OpenorClosedLoop?SensoredorSensorlessControl?AnalogorDigitalFeedback?TorqueControl?AnyPICMCUorIntegratedFanControlerFirmwareCommutation2I/OPins3-PhaseNoComparators,HighSpeedADC,FiltersPWMorMotorControlPWM,ADCInputs,I/OPinsOpenLoopSpeedControlClosedLoopControlSensoredSensorlessMeasureBackEMF3ShuntResistorswithOpAmpCircuits,or3HallEffectTransducers&ADCYesYes,FaultShutDownOnlyOpampsComparitors,I/OInterruptsAnalogDigitalSpeedorPositionControl?6I/OPins2-3ADCInputsPWM,MotorControlPWM,NoYesQuadratureEncoderTimer,InputCapture,orInterrupt18幻灯片成本与性能许多BLDC解决方案使用高性能器件高性能一般意味着高成本是否所有的应用场合需要高性能？是否可以使用较低成本的器件来满足相同的性能？19幻灯片电机控制最小需求可选择引脚的PWM换相定时器快速BEMF测量（内部的或者外部的）速度控制输入12个I/O（6个驱动，4个BEMF，1-2个速度）20幻灯片选择合适的电机控制芯片器件PWM定时器BEMFCLC速度$PIC16(L)F1509416位定时器12个比较器4串行/ADC0.97PIC16(L)F1508416位定时器12个比较器4串行/ADC0.92PIC16(L)F1503416位定时器12个比较器2T1G/ADC0.66PIC16(L)F178xPSMC16位定时器12个比较器0串行/ADC1.45PIC16(L)F193xECCP16位定时器13个比较器0串行/ADC1.80PIC16(L)F194xECCP16位定时器13个比较器0串行/ADC2.1221幻灯片如何捕捉BEMF信号59幻灯片59何为反电动势——BEMF？永磁转子在电机内腔中旋转时,相当于定子上的线圈在切割磁力线，定子线圈中便有感应电压即反电动势产生BEMF只与转速有关BEMF(RMS)=RPM*Kc电机静止时无反电动势未通电相反电势易检测BEMF电机RLC幻灯片59BLDC电机之反电动势ACBDC+DC-BackEMF绕组A和C被激励未通电绕组B可观测到反电动势电机到一定转速时，反电动势信号特征才较明显幻灯片59端电压表达式ABC+-++--RRR当激励如右图所示时：BEMF@C=C–B+i*Ri=[DC-(A-B)]/[2*R]BEMF@C=C-B+[(DC-A+B)/2]A=-B未通电绕组端电压则为BEMF@C=C+DC/2DCLLLi幻灯片BEMF捕捉比较BEMF和Vbus/2创建一个虚拟中性点，并与BEMF进行比较该方法的缺点是：•该方法假定电机绕组的参数完全相同。•检测到的BEMF信号具有正相移和负相移。•电机额定电压大部分时间小于VDC电压；因此，过零事件并不总是发生在VDC/2处。将BEMF电压与电机中性点进行比较。前面介绍的过零检测方法可以通过使用一个可变阈值电压点来检测过零事件而改进。该可变电压实际上是电机的中性点。通常情况下，电机制造商并不会提供电机中性点的接线。但是，可以通过使用电阻网络来产生。3个网络与电机绕组并联，并连接在一起，产生一个虚拟中性点。这都可以在MCLV-2开发板上完成！60幻灯片59调制方式的影响软件PWM调制方式的选取与比较器的信号源相关有利于过零信号检出减少比较器翻转次数采用ON_PWMTa-Tb+Tc+Tc-Ta+Tb-60o120o180o240o300o360o6-11-22-33-44-55-6tttttt幻灯片59调制方式的影响PWM调制方式对比较器输出的影响+-DC/2(A+B+C)/3CoutDC/2(A+B+C)/3PWMCoutZCPoint+-DC/2(A+B+C)/3CoutDC/2(A+B+C)/3PWMCoutZCPoint下降沿：H-ON，L-PWM上升沿：H-PWM，L-ON幻灯片分析BEMF61幻灯片示波器波形图62幻灯片振铃和续流22幻灯片22比较器检测和振铃未通电相端电压波形幻灯片22换相和续流HI_ALO_AHI_BLO_BHI_CLO_CVmotor+-幻灯片22换相续流的影响换相续流影响未通电相端电压的波形未通电相端电压波形畸变电压波形畸变导致比较器误翻转畸变波形的时间长短与负载有关解决方法换相后设定时间内，忽略比较器信号©2013MicrochipTechnologyIncorporated幻灯片两个重要的滤波由于续流引起的错误的比较器翻转软件加一个足够大的延时滤掉错误的信号由于PWM开关引起的振铃干扰软件滤波处理23幻灯片偏移和平衡74幻灯片为什么需要补偿高速操作会由于一些未知原因而失败问题来源：过零延时和偏移的误差我们可以如何补偿这些误差？相位偏移以及两个周期之间的平衡75幻灯片偏移和平衡的影响相位偏移与升高或降低过零参考点具有相同的影响偏移实际上可以起到增磁或者弱磁的作用平衡会改变过零周期和换相周期之间的时间（是特殊情况下的特殊方法）无论平衡和偏移调节如何，过零周期和换相周期之和是恒定的76幻灯片换相计算CT(n)ZC(n)X77幻灯片换相计算过零误差ZCE(n)=ZC(n)-CT(n)/2下一次换相时间CT(n+1)=CT(n)+ZCE(n)*K平衡和偏移修改ZC(n)=ZC(n)+偏移-平衡X=CT(n)/2+偏移+平衡78幻灯片结果如何过零参考错过的过零事件平衡可以修正过零延时偏移可以防止错过的过零事件79幻灯片转矩脉动63幻灯片转矩脉动问题驱动中的电流波动会导致转矩波动转矩波动会引入噪声机械应力被驱动输出的变化是否可以通过简单方法来降低转矩脉动？64幻灯片转矩脉动原因65幻灯片简单的转矩脉动解决方案66幻灯片PID控制67幻灯片PID不代表PoliceInvestigationDepartment（警方调查部）68幻灯片闭环速度速度会随以下因素变化母线电压电机负载我们可以如何建立速度闭环，来应对这些变化？69幻灯片PIDP=Proportional（比例）比例误差=所需值与实际值之差I=Integral（积分）所有误差之和D=Differential（微分）最后两个误差之差70幻灯片PID增益常数增益常数：kp=比例增益ki=积分增益kd=微分增益全部合在一起P(n)=kp*e(n)I(n)=I(n-1)+ki*e(n)D(n)=kd*[e(n)-e(n-1)]Drive(n+1)=(P(n)+I(n)+D(n))71幻灯片将PID添加到速度控制中换相控制环之外的控制环输入：所需速度与实际转速的差值输出速度控制驱动电压72幻灯片PID是否总是工作？电机速度存在斜坡限制驱动电压以固定速率向设置点进行增量式地调整。这种限制会如何影响PID？何时需要PID，何时不需要？73幻灯片使用CLC模块22幻灯片过零检测问题无传感器换相需要来自电机端子的反馈该反馈具有很大噪声调制无功振铃无源滤波会增加延时是否有更好的方法？23幻灯片CLC：可配置逻辑单元CLC是可编程逻辑和门信号源：内部和外部输出：内部和外部可用于有选择地采样比较器输出24幻灯片BEMF问题25幻灯片CLC解决方案26幻灯片PWM4与PWM3时序PWM3PWM4PWM3&PWM4BEMF27幻灯片使用PSMC模块28幻灯片PSMC特性PSMC输出模式单PWM最多6个可转向输出对于微步控制很有用互补PWM最多3对可转向输出对于同步电源很有用推挽PWM多种引脚配置对于全桥和半桥配置很有用脉冲跳过PWM带和不带互补输出对于谐振转换器很有用三相PWM在6种不同驱动序列之间换相固定占空比PWM微调，以实现更好的平均PWM分辨率有刷直流电机模式（与ECCP兼容）支持正向和反向旋转29幻灯片PSMC简介比较器外部引脚输入源PSMC源输入输出0输出5输出4输出1输出3输出2时钟1231——上升沿死区控制2——下降沿死区控制3——相控制4——消隐控制64MHz时钟30幻灯片PSMC——框图31幻灯片PSMC时钟64MHz时钟输入独立的时钟域该模块使用“psmc_clk”信号工作该信号独立于CPU时钟速度（Fosc/4）通过允许外设以不同于CPU的独立频率运行而节省功耗CPU和外设PSMCHF/MFINTOSCLFINTOSC31kHz16MHz至31.25kHzINTOSCT1OSCPLL32MHz64MHz外部OSCPSMCxCLK8或16MHzFOSC32幻灯片PSMC简单或互补单相波形单相模式