無刷控制器出現(xiàn)故障分析原因及解決方案-KIA 元器件廠家
信息來源：本站 日期：2017-12-21
直流電機具有良好的調(diào)速性能,如無級調(diào)速、調(diào)速范圍寬、低速性能好、高起動轉(zhuǎn)矩、高效率等。無刷直流電機由于采用電子換向,PWM調(diào)速,在進一步提高直流電機性能的同時又克服了直流電機機械換向帶來的一系列問題,從而大大延長了電機的使用壽命,近年來已廣泛應(yīng)用于家電、汽車、數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域。
無刷直流(BLDC)電機具有多種優(yōu)點：效率更高、壽命更長、不產(chǎn)生火花、可靠性高，可以選擇多檔速度，并有大扭矩。因此，越來越多的應(yīng)用依賴于無刷直流（BLDC）電機，包括醫(yī)療設(shè)備、家用電器、樓宇控制和工業(yè)自動化等等。
對無刷直流電機轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制,也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比,速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性相比,其性能大大提高;理想空載轉(zhuǎn)速相同時,閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負載時電機轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多;當要求的靜差率相同時, 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。無刷直流電機的速度控制方案如圖1所示。
無刷直流電機控制器可采用電機控制專用DSP，也可采用單片機＋無刷直流電機控制專用集成電路的方案。前者集成度高，電路設(shè)計簡單，運算速度快，可實現(xiàn)復(fù)雜的速度控制算法，但由于DSP的價格高而不適合于小功率低成本的無刷直流電機控制器。后者雖然運算速度低，但只要采用適當?shù)乃俣瓤刂扑惴?，依然可以達到較高的控制精度，適合于小功率低成本的無刷直流電機控制器。
第二代無刷直流電機控制專用集成電路，集成了轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路、脈寬調(diào)制電路（PWM）、功率輸出驅(qū)動電路、限流電路，可以實現(xiàn)無刷直流電機速度開環(huán)系統(tǒng)的全部控制功能。以及由MOSFET型場效應(yīng)管組成的功率驅(qū)動電路，無刷電機控制邏輯和保護由對號完成，單片機用來完成轉(zhuǎn)速設(shè)定值的獲取、轉(zhuǎn)速反饋的實時采樣以及速度控制算法的實現(xiàn)。
閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分微分控制（簡稱PID控制），其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易整定，不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型，因此PID調(diào)節(jié)器得到了廣泛的應(yīng)用。
PID調(diào)節(jié)器雖然易于使用，但在設(shè)計、調(diào)試無刷直流電機控制器的過程中應(yīng)注意：PID調(diào)節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響，且受數(shù)字量上下限的影響易產(chǎn)生上下限積分飽和而失去調(diào)節(jié)作用。所以，在不影響控制精度的前提下對PID控制算法加以改進，關(guān)系到整個無刷直流電機控制器設(shè)計的成敗。
為在單片機中實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，需要得到電機速度設(shè)定值（通過A／D變換器）和電機的實際轉(zhuǎn)速，這需要通過精心的設(shè)計才能完成。
無刷直流電機的實際轉(zhuǎn)速可通過測量轉(zhuǎn)子位置傳感器（通常是霍爾傳感器）信號得到，在電機轉(zhuǎn)動過程中，通過霍爾傳感器可以得到如圖2所示的周期信號。
圖2：霍爾傳感器信號
由圖2可知,電機每轉(zhuǎn)一圈,每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個周期的方波,且其周期與電機轉(zhuǎn)速成反比,因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機的實際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時間,可測得任意一相霍爾傳感器的一個正脈沖的寬度,則電機的實際轉(zhuǎn)速為：
但由于利用霍爾傳感器信號測速，所以測量電機轉(zhuǎn)速時的采樣周期是變化的，低速時采樣周期要長些，這影響了PID調(diào)節(jié)器的輸出，導(dǎo)致電機低速時的動態(tài)特性變差。解決的辦法是將三相霍爾傳感器信號相“與”，產(chǎn)生3倍于一相霍爾傳感器信號頻率的倍頻信號，這樣可縮短一次速度采樣的時間，但得增加額外的硬件開銷。直接利用霍爾傳感器信號測速雖然方便易行，但這種測速方法對霍爾傳感器在電機定子圓周上的定位有較嚴格的要求，當霍爾傳感器在電機定子圓周上定位有誤差時，相鄰2個正脈沖的寬度不一致，會導(dǎo)致較大的測速誤差，影響PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。若對測速精度要求較高時，可采用增量式光電碼盤，但同樣會增加了電路的復(fù)雜性和硬件的開銷。
電機速度設(shè)定值可以通過一定范圍內(nèi)的電壓來表示。系統(tǒng)中采用了串行A／D來實現(xiàn)速度設(shè)定值的采樣。但在電機調(diào)速的過程中，電機控制器的功率輸出部分會對A／D模擬輸入電壓產(chǎn)生干擾，進行抗干擾處理。
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