账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
锁定新一代导弹制动系统的无电刷直流马达
 

【作者: Charles Frick】2019年07月05日 星期五

浏览人次:【1963】
  

由於成本攀升但客户需求缩减,同时加上产品种类增多,军武系统快速地与其他工程领域一样面临着成本受限的问题。为有效率地驱动与控制这些飞行弹药,必须运用微型控制制动系统(CAS)来针对尾翼进行精准的微幅调整,以及调整经过弹体的气流。以往这些系统都是采用气压或透过电刷直流马达与齿轮箱进行驱动,但现代马达在无电刷直流马达(BLDC)在内所达致各方面的进步,使得业界已经能做出更小、更轻、更廉价、更有效率的CAS设计。然而,其所付出的代价,则是为了要驱动BLDC的三个相位,导致系统复杂度提高。


导致复杂度提高主要有下列几项因素:第一,传统电刷直流马达只需要一个H电桥,而BLDC则需要3对MOSFET来驱动相位。这不仅增加少量的成本,还会额外占用电路板空间。在驱动这些MOSFET时,必须注意避免让短路电流(current shoot)通过,因为如果顶部与底部都同时导通就可能会导致MOSFET损坏。另外还要注意在脉冲调变(PWM)顶部与底部驱动线路之间??入的空白时间(dead time)。


从软体的角度来看,一般电刷马达可透过简单的PID??路加以控制,而无电刷直流马达则需要更先进的??路与换相策略 - 通常是量测绕组电流、相电压、转子角度、以及速度。


无电刷直流马达的构造

BLDC内含定子上的电磁铁,以及可动转子上的永久磁铁。BLDC可以是内转式(磁铁位於线圈内)或外转式(磁铁位在线圈外)。图1显示BLDC内转组件与外转组件。在两种类型中,都会有3个相位的导线环绕((U, V, W 或A, B, C)在定子的齿纹上。这些绕组会依特定顺序进行激磁,藉以吸引与排拆永久磁铁(标为红/蓝)


由於标准的微处理器或DSP并没有电流驱动力足以直接激磁线圈,因此通常会使用涉及MOSFET(每相位2个)的电力反相阶段,以用来将来自控制介面的PWM驱动力转换成驱动马达所需的高电压驱动力。



图1 : 内转组件 vs.外转组件
图1 : 内转组件 vs.外转组件

图2 : 三相转换器反相器与切换阶段
图2 : 三相转换器反相器与切换阶段

一般三相反相器(phase inverter)使用6个N-Channel MOSFETs(图2上方),产生图2底部所示的切换阶段。另外,还有多种切换阶段没有显示在图中: 001、010、011、以及101。这里的1代表其中上方3个MOSFET其中一个被打开。这些阶段对映到一个状态空间表示式(state space representation),在图3的6个感测器具有详细的解说。藉由开启与关闭这些开关,导入到绕组的电压最高可达到2/3 × VDC。这种策略的自然延伸,就是针对每对MOSFET配置PWM。藉由改变PWM波形的工作周期,在绕组中产生的电压就能生成种类众多的电压,实际数量端看PWM生成系统的解析度而定。



图3 : 状态空间的开关代表式,从Sector I一直划分到Sector VI
图3 : 状态空间的开关代表式,从Sector I一直划分到Sector VI

若没有PWM,自然想到的换相策略就是直接依序激磁每对绕组(区块换相或六步换相)。在这项策略中,每次拉高一或两个绕组的相位,其馀绕组的相位则压低。藉由依序激磁相位,转子上的磁铁就会拉至每个相位,然後转子开始旋转。为判断该激磁哪些相位,通常会在定子上每隔60电角度(electrical degree)设置一个霍尔效应感测器。霍尔效应感测器能侦测每个转子磁铁,并产生一个三位元数位序列,用来判断下个换相区域。


这种策略在低成本马达控制系统运作得很好,但缺点是在低速下会有转矩涟波(torque ripple)的问题。此外,转矩涟波会造成噪音,而且若马达用在定位/伺服等类型的应用则会产生位置误差。


正弦波换相(Sinusoidal commutation)运作原理是让定子电流对齐BLDC上定子的磁通量。这些电流的相位之间相位差应为120度。永磁同步马达(PMSM)类似BLDC,但需要一个正弦波电流来执行驱动。


图4的模块图显示如何驱动一个永磁同步马达。运用一个速度感测器进行简单的速度控制,或是根据转轴感测器与多个马达叁数进行推测。正弦驱动在低速时特别管用,但在高速时由於必须随着速度提高而提高正弦波的频率,也需要更高的电气频率。


在更高的速度下,马达需要更高的转矩,这对导致相位电流出现延迟。要在更高速度下妥善控制,一般要导入相位超前(phase advances),才能让转矩与磁通向量相匹配。



图4 : PMSM的正弦波驱动
图4 : PMSM的正弦波驱动

为克服这项问题,业界采用一种更先进的控制机制,称为磁场导向控制(FOC)。和其他换相策略一样,FOC也可以采取无感测器的模式,根据绕组产生的反电动势(back-EMF),或是感测到的位置以及电流感测器来推算位置与速度。FOC的基础是控制朝向马达绕组的转矩以及磁通量向量(flux vector)。这些向量的生成来自於马达所需的速度输入。


利用马达的电气与机械常数(惯性矩、摩擦系数、定子绕组的电感与电阻、以及反电动势常数),图5的PI??路就能将所要的速度转换成直流电数值。藉由控制马达的电气周期,这些数值就能转换成转子的叁考座标系(图6),进而利用派克转换(Park transform)产生Vα 与Vβ。


FOC的下一步是把Vα 与Vβ 转换成PWM数值,然後传送到PWM反相器单元。这个过程通常会使用正弦波调变机制(SPWM)或空间向量调变(SVPWM或SVM)机制。



图5 : FOC模块图.
图5 : FOC模块图.

图6 : FOC控制叁数的转换
图6 : FOC控制叁数的转换

如先前所述,藉由控制电力反相器内MOSFET的切换,就能产生一个空间向量表述式,如图3所示。邻近单元向量之间的空间经过编码,产生介於1到6的分区,对应到电气换相周期的6个切换分区。图3的Sector 1放大图如图7所示。电压向量VREF 是由电压向量Vα 与Vβ组成,θ角则是Vd 除以Vq的反正切。


图7显示使用两个邻近单元向量(V1与V2)以及在每个状态花一段特定的时间(对应到一个工作周期),就能推算出VREF 。这个工作周期的计算,可使用类似向量数学(叁见图8)的相关公式。



图7 : 状态空间的Sector 1.
图7 : 状态空间的Sector 1.

U, V, W 向量公式计算



图8 : 叁考向量的Sector times.
图8 : 叁考向量的Sector times.

从图7的公式来看,PWM时间的推算,可使用正规化时间1.0(等於整个100%工作周期)减去Tn 与Tn+1。之後再透过额外的计算即可得到分区sector,如图9所示。



图9 : Sector的判断
图9 : Sector的判断

算出工作周期并传至控制器的PWM模组後,就已达到使用FOC进行开放??路控制的目的。接下来必须整合回??机制才能建构出闭路控制。如图4所示,先量测三个绕组的电流,然後使用逆克拉克(inverse Clarke)与逆派克(inverse Park)转换对三个绕组的电流进行量测与转换。


要量测这些电流,可使用多种不同的策略:分流感测(shunt sensing)配合每个相绕组(phase winding);在三个MOSFET底部与接地端之间设置一个低侧分流器;以及在每个MOSFET与接地端之间设置相位分流器;或是在每个顶部MOSFET与VDC之间设置高侧分流器。


若设计受到成本限制,则使用两个分流器搭配绕组将会是一种较好的量测方法,因为能直接量测两个绕组电流。第三个电流可使用克希荷夫电流定律以及总和0的规则推算出来。这种方法额外的好处是电流可以在任何时间量测,不必局限於MOSFET导通低部与顶部。在量测这些电流之後,可使用分流器系统可测到的最大电流,将量测数据正规化成[-1, +1]的范围。


在位置与速度感测方面,可使用编码器(相对型或绝对型)、霍尔效应感测器、检出器或磁角感测器。不过依据感测器的解析度,有可能必须用到额外的位置与速度推算机制。不论采用哪种技术,量测到的角度都必须转换成电角度,以便与制动转子位置的换相进行同步化,以及执行转子的转换。角速度必须是已知数值,但这个数据通常维持为机械叁数格式,以便对照所要的输入速度。


在得到转子的实际位置与速度後,再互换/逆向派克与克拉克转换,把静止定子叁考座标系转换成d, q叁考座标系中的旋转叁考座标系,藉此转换相位电流。电流与速度误差经由PI??路产生误差向量,然後回??到顺向派克与克拉克转换,这些控制程序都可以重复。


这些程序在多长时间可再重复? 得看各项马达特徵而异。PWM频率通常会避开可听音波的频率范围(15 kHz 至30 kHz),免得马达产生声响共振。FOC和所需的控制??路与建置在PWM中断服务常式,让PWM的新数据可供下一个PWM周期使用。


然而这可能对FOC常式产生严苛的时序限制,因为花在为PWM中断服务的时间,就无法用来服务控制处理器的其他部分(像是连结至PC程式的串列介面)。PWM频率若为30 kHz,每个PWM的ISR仅有33.3 微秒的时间。因此每微秒都很重要!


另外,还应注意尽可能减少正弦与馀弦以及其他浮点运算的运算负荷。一般的作法是将FOC常式压低在可用PWM ISR时间的50%以下,让处理器能服务其他像UART周边元件,藉以服务像是改变要求速度或设定新位置等较不重要的任务。


选择元件

实作FOC本身就已经相当复杂,因此选择适合的元件有助於减少系统整合方面遭遇的额外难题。Analog Devices针对马达控制讯号链提供多种元件。这些元件包括闸极驱动器、绝对角度与霍尔效应感测器、电流感测器、以及各种隔离产品。


图10显示马达控制讯号链元件的模块图。从高阶概念来看,BLDC转轴位置与速度的感测使用ADA4571 AMR 角度感测器以及 AD22151 磁场换能器(transducer)。相位绕组电流的量测,使用的是串联电阻以及AD8418 电流感测放大器来移除PWM共模电压。LTC2345-18 8× 18-bit ADC负责把感测器的6个类比电压转换成供微控制器使用的数位讯号。


微控制器利用这些讯号来计算PWM占空比,然後再传到硬体计时器。LT1158 MOSFET驱动器扮演电力换能器中6个MOSFET的闸极驱动器。



图10 : 马达控制讯号链的模块图
图10 : 马达控制讯号链的模块图

LT1158是一款整合式半桥N-Channel MOSFET驱动器。它可供应5至30伏直流电力,输入端PWM波形逻辑可搜寻TTL或CMOS讯号。此外,PWM输入会转换成高侧与低侧MOSFET驱动讯号,而晶片则会自动置入一个调适空白时间(dead time)。这意谓着PWM频率可机动变换,系统也会自动??入空白时间以保护MOSFET,防止短路电流通过,但却不必修改PWM计时器的程式码或暂存器。



图11 : LT1158 双N-channel MOSFET 驱动器.
图11 : LT1158 双N-channel MOSFET 驱动器.

ADA4571 整合式非等向性磁阻(AMR)感测器能量测180度旋转角度,误差在0.5度内。在开启温度补偿机制下,感测器可使用2.7至5伏电压,消耗电流仅7毫安培。感测器输出两个类比正弦波(VSIN, VCOS),中间电压为2.5伏(5伏电源)。一旦VSIN 与VCOS 数位化,它们即可透过一个简单公式转换成角度。


若要量测360度绝对旋转,可采用ADA4571 搭配一个线性输出磁场(霍尔效应)感测器,如AD22151。AD22151设计成使用5V电源,其输出的电压和封装垂直方向磁场呈线性正比。在正常运行时,元件最多耗用10毫安培电流,并能侦测到双极或单极的可变增益磁场。这个感测器的好处在於类比输出电压,可轻易加入到已量测类比数据的系统,如电流感测器或额外的类比角度感测器。AD22151置於和ADA4571维持垂直方向的位置,其输出讯号可送至软体,藉此感测转轴径向磁铁的360度动作。



图12 : ADA4571 AMR 感测器
图12 : ADA4571 AMR 感测器

连同角度感测器,感测FOC需要精准量测经过BLDC的相位电流。AD8418是一款双向零漂移电流感测放大器,适合执行这方面的任务。这款外接式分流放大器在操作温度范围内的增益为20 V/V,共模拒斥范围为-2 V至+70 V。


这款放大器还能感测经过分流器的双向电流,在为BLDC量测相位电流时特别有用。这款元件设计用来支援2.7至5伏特的电源电压VS,类比输出电压集中在VS/2。若是选用5伏特,则输出可集中在2.5V伏,就像ADA4571一样。


在类比输出感测器方面,结果必须转换成数位格式。虽然市面上已有众多ADC产品,LTC2345特别适用在马达控制,因为它拥有8个同步取样通道。取样为和转换曲线的上升段进行同步。相位电流以及绝对角度感测器的输出讯号,会与中央对齐PWM的时间进行同步。单一5伏电力不仅能简化电源供应器的设计,而且消耗的电流仍低於20毫安培。


独立的数位逻辑输出电压让LTC2345能连结较低电压的微控制器、处理器或FPGA。由於类比输入范围具有弹性,故能使用(IN-)类比输入通道自动移除位置与电流感测器的2.5伏偏置。资料可使用LTC2345的时脉,利用可变时脉的SDO输出,视所需的取样吞吐量选用适合的时脉。



图13 :  AD8418 电流感测器.
图13 : AD8418 电流感测器.

图14 : LTC2345 模块图
图14 : LTC2345 模块图

总结

随着BLDC在控制制动系统日趋普及,使得业界需要更先进的演算法、感测器、以及驱动电路。正弦波与FOC两种换相策略能精准控制无电刷直流马达。两种策略都需要精准量测BLDC转子角度,但若没有适合的元件,这些量测工作会很难进行。


幸运的是,ADA4571 与AD22151能简化这方面的量测工作。而LT1158 为BLDC的3个相位简化 PWM 驱动电路,主要可藉由减少PWM线路以及省略空白时间的计算。AD8418则简化绕组电流的作业,另外LTC2345则能轻易对多个类比感测器的输出讯号进行数位化与同步化。


(本文作者Charles Frick为 ADI 航太及防务部系统应用工程师)


相关文章
工业过渡:实现可信的工业自动化
卓越的编码器技术满足不妥协工业环境应用之要求
无刷直流马达控制应对新挑战
简化制程控制类比输入模组的设计
您的电动汽车充电系统具有适当的安全性,有效性和可靠性?
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
Blackfin Development Tools Bundle
原厂/品牌:ADI
供应商:安馳科技
產品類別:DSP
BLACKFIN USB-LAN EZ-EXTENDER
原厂/品牌:ADI
供应商:安馳科技
產品類別:DSP
BLACKFIN EZ-EXTENDER
原厂/品牌:ADI
供应商:安馳科技
產品類別:DSP
  相关新闻
» 威腾斯坦导入德国工业4.0血统 推出驱/传动系统模组化解决方案
» 泓格推动工业物联网有成 补全EtherCAT完整解决方案
» 东培TPI不愧滚珠轴承龙头 带领台厂迎向工业4.0浪潮
» 雄克引进电动磁力夹爪 提供机械式维安选项
» 史陶比尔新机登场 联手系统商整合应用
  相关产品
» ADI新型多通道混合讯号 RF 转换器平台 扩展通话容量和资料传输量
» ADI解决方案加速毫米波 5G 无线网路基础设施部署
» Fluke首款可携式囗袋热像仪上市
» Fluke首款工业声学成像仪ii900上市
» Fluke四款640 x 480解析度热像仪齐登场
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs
» MicroModule Power Products
» Wireless & RF Solutions
» Telecom, Datacom and Industrial Power Products
» Power Management for LEDs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw