直流无刷电机控制器工作原理是什么

电路

　　一、控制器基本工作原理
　　控制器跟据电机换相信号（三个霍尔传感器 hall-sensor 输出的六种不同信号）输出相应的控制信号来驱动功率晶体管顺序导通使电机旋转，如下图1中AH、BH、CH（这些称为上臂功率晶体管）及 AL、BL、CL（这些称为下臂功率晶体管），使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当直流无刷电机转子转动到 hall-sensor 感应出另一组信号的位置时，直流无刷电机控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管（或只开下臂功率晶体管）；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
　　

　　当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令（Command）与hall-sensor信号变化的速度加以比对（或由软件运算）再来决定由下一组（AH、BL或AH、CL或BH、CL或……）开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差（Error）。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。
　　一般P.I.D控制如下
　　

　　P.控制（比例控制）：输出与输入误差讯号成正比关系，即将误差固定比例修正，但系统会有稳态误差。
　　I .控制（积分控制）：当系统进入稳态有稳态误差时，将误差取时间的积分，即便误差很小也能随时间增加而加大，使稳态误差减小直到为零。
　　D.控制（微分控制）：当系统在克服误差时，其变化总是落后于误差变化，表示系统存在较大惯性组件或（且）有滞后组件。微分即是预测误差变化的趋势以便提前作用避免被控量严重冲过头。
　　二、无刷直流电机控制系统框图，如图2所示：
　　

　　图2 控制系统框图
　　（1）微控制器
　　主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。微控制器的另一个重要作用是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。
　　（2）功率驱动单元
　　主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。
　　（3）位置传感器
　　位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。
　　（4）周边辅助、保护电路
　　主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。
　　三、功能和保护
　　控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：
　　（1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。
　　（2）产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。
　　（3）对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。
　　（4）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。
　　1、无级调速
　　直流无刷电机的速度依靠电机相电压大小来调整，通过PWM脉宽调制来调节电机相电压。如图3。PWM的频率为15.6KHz。控制器控制方式采用电流（转矩）闭环控制，故PWM脉冲的宽度由调速转把电压、控制器输出电流、电源电压、控制器温度等因素决定。
　　

　　2.限流保护与过流保护
　　电流信号经康铜丝采样之后分两路，一路送至放大器，一路送至比较器。如图4。
　　放大器用来实时放大电流信号，放大后的信号提供给单片机进行AD采样转换，单片机根据电流采样的结果实时调整PWM的占空比，实现电流闭环来控制电流不超过允许值。另一路信号送至比较器，正常时的电流绝对不会让该比较器翻转，当电流由于某种原因突然增大到一定程度，比如电机相间短路或一只MOSFET击穿时，该比较器翻转从而触发单片机的外部中断，单片机就会快速完全关断驱动进入保护状态，从而保护MOSFET，避免故障进一步扩大。
　　

　　3.欠压保护
　　欠压保护这是针对蓄电池的保护动作，如果蓄电池过放电，将导致蓄电池的永久损坏。
　　当电源电压小于欠压保护电压时，控制器切断电机供电。欠压保护电压和蓄电池电压上升后恢复驱动这两个电压应有一定回差，比如48V电池欠压点在42V，而恢复供电点在45V，避免控制器频繁进入保护状态。
　　另外，当蓄电池电压接近欠压时，控制器会减小供给电机的电流，这在一方面可以提醒使用者电池处于亏欠状态，小电流放电避免了电池的损坏；另一方面还可以使整机继续跑动相当长的距离而不会经常进入保护状态。
　　4.刹车断电：控制器监测到刹车信号后关闭所有的驱动输出和PWM输出。
　　5.堵转保护
　　当电机堵转时，控制器电流始终通过同一组MOSFET，此时MOSFET损耗达到最大。为了防止电机发生堵转时MOSFET温度高而造成永久损害，必须采取相应的保护措施，通常是要在堵转发生之后数秒钟之内切断电机的供电。一般堵转保护时间是2-4秒。
　　另外，要注意的是有时电机虽然未发生堵转，但刚好在换相的临界点，此时会产生频繁的换相动作，这对MOSFET也是有害的，所以也是当作堵转来处理。
　　6.温度保护
　　温度保护是为降低控制器与电机温度的一种保护策略。控制器MOSFET的功率损耗随着电机负载的加大而增加，当电机堵转时，控制器的MOSFET损耗达到最大。为了使控制器更加可靠，通常我们将MOSFET表面温度控制在120℃以下。通常我们采用良好的散热结构来解决控制器温升，但控制器会在比较恶劣的环境下工作，譬如，高温大负载等，此时控制器MOSFET表面温度会超过120℃。因此必须另外提供降温措施。

　　当MOSFET表面温度超过100℃时控制器开启温度保护功能逐步降低控制器输出功率的方法来控制MOSFET温度不超过120℃。

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