無刷直流電機(jī)中小型控制致動系統(tǒng)的設(shè)計

隨著成本上升，客戶需要更小，更長距離的產(chǎn)品，彈藥系統(tǒng)很快就會像其他工程領(lǐng)域一樣受到成本的限制。為了在飛行中有效地驅(qū)動和控制這些彈藥，小型控制致動系統(tǒng)（CAS）進(jìn)行小的精確調(diào)整以放置鰭片并調(diào)節(jié)身體上方的氣流。傳統(tǒng)上，這些系統(tǒng)是氣動的或通過帶有齒輪箱的有刷直流電機(jī)驅(qū)動，但是包括無刷直流電機(jī)（BLDC）在內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動器的現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更小，更輕，更便宜和更高效的CAS設(shè)計。然而，這需要增加系統(tǒng)復(fù)雜性以驅(qū)動BLDC的三個階段。

增加的復(fù)雜性來自許多來源。首先，雖然傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)只需要一個H橋，但BLDC需要三對獨(dú)立的MOSFET來驅(qū)動相位。這增加了少量成本并且需要PCB上額外的占地面積。在驅(qū)動這些MOSFET時，必須注意避免電流擊穿，如果頂部和底部同時啟用，可能會破壞MOSFET。必須特別注意在脈沖寬度調(diào)制（PWM）的頂部和底部驅(qū)動線之間插入的死區(qū)時間。

從軟件的角度來看，可以使用簡單的PID回路控制常規(guī)有刷電機(jī)雖然BLDC需要更高級的環(huán)路和換向策略 - 通常測量繞組電流，相電壓，轉(zhuǎn)子角度和速度。

BLDC的構(gòu)造

BLDC是定子上的電磁鐵的集合，永磁體附著在可動轉(zhuǎn)子上。電動機(jī)可以是一個先行者（線圈內(nèi)部的磁鐵）或外部電動機(jī)（線圈外的磁鐵）。圖1顯示了BLDC inrunner和outtrunner。在兩種情況下，三相導(dǎo)線圍繞定子中的齒纏繞（U，V，W或A，B，C）。這些繞組依次通電以吸引和排斥永磁體（紅色/藍(lán)色）。

標(biāo)準(zhǔn)微處理器或DSP沒有電流驅(qū)動強(qiáng)度來直接充分激勵線圈，因此，由MOSFET組成的功率逆變器級（每相兩個）通常用于將PWM驅(qū)動器從控制接口轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的高壓驅(qū)動器。

通常，三相逆變器使用六個N溝道MOSFET（見圖2的頂部），產(chǎn)生圖2底部所示的開關(guān)狀態(tài)。有幾種開關(guān)狀態(tài)未顯示：001,010,011和101.A 1表示啟用前三個MOSFET中的一個。這些狀態(tài)映射到狀態(tài)空間表示，如圖3中的六個扇區(qū)所示。通過打開和關(guān)閉開關(guān)，施加到繞組的電壓最大可達(dá)到2/3×V DC 。該策略的自然延伸是將PWM應(yīng)用于每對MOSFET。通過改變PWM波形的占空比，繞組中產(chǎn)生的電壓可以產(chǎn)生寬范圍的電壓，具體取決于PWM生成系統(tǒng)的分辨率。

在沒有PWM的情況下，非常自然的換向策略是簡單地激勵每對繞組（即，塊換向或六步換向）。對于這種策略，一個或兩個相被拉高，而剩余的繞組被驅(qū)動為低。通過依次激勵相，轉(zhuǎn)子上的磁鐵被拉到每相，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。為了確定要激勵的相位，三個霍爾效應(yīng)傳感器通常以60度電角度安裝在定子上。霍爾效應(yīng)傳感器檢測每個轉(zhuǎn)子磁體并產(chǎn)生3位數(shù)字序列，用于確定下一個換向區(qū)域。雖然這種策略適用于低成本電機(jī)控制系統(tǒng)，但該策略在低速時會受到扭矩波動的影響。此外，如果電機(jī)用于定位/伺服應(yīng)用，這種轉(zhuǎn)矩脈動會產(chǎn)生聲學(xué)噪聲并引入位置誤差。 1

正弦換向的工作原理是定子電流與定子電流對齊BLDC中的定子磁通。 BLDC基于通過繞組的梯形電流移動。這些電流中的每一個應(yīng)該是120°異相。永磁同步電動機(jī)（PMSM）類似于BLDC，但需要正弦電流來驅(qū)動。圖4顯示了如何驅(qū)動PMSM的方框圖。通過使用速度傳感器或使用基于位置軸傳感器和電機(jī)參數(shù)的估算來實(shí)現(xiàn)簡單的速度控制。正弦波驅(qū)動在低速時特別好，但在高速時會分開，因為所需正弦波的電頻率也必須隨著速度而增加。在更高的速度下，電機(jī)需要更高的轉(zhuǎn)矩，這會在相電流中引入滯后。 2 為了在更高的速度下正確控制，通常必須引入相位前進(jìn)以保持轉(zhuǎn)矩和磁通矢量正確對齊。

為了克服這個問題，可以實(shí)現(xiàn)一種稱為磁場定向控制（FOC）的更先進(jìn)的控制方案。與其他換向策略一樣，F(xiàn)OC可以無傳感器實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)繞組產(chǎn)生的反電動勢估算位置和速度，或通過位置和電流傳感器進(jìn)行傳感。 FOC的基礎(chǔ)是控制進(jìn)入電動機(jī)繞組的轉(zhuǎn)矩和磁通矢量。這些矢量的生成來自電機(jī)的所需速度輸入。

使用電機(jī)的電氣和機(jī)械常數(shù)（慣性矩，摩擦系數(shù)，定子繞組的電感和電阻以及反電動勢常數(shù)），圖5中的PI回路將所需速度轉(zhuǎn)換為直流量。為了控制電機(jī)的電氣循環(huán)，必須將這些量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的參考系（圖6），以便使用Park產(chǎn)生V α和V β轉(zhuǎn)變。 FOC的下一步是將V α和V β轉(zhuǎn)換為發(fā)送到PWM逆變器單元的PWM值。通常，正弦調(diào)制方案（SPWM）或空間矢量調(diào)制方案（SVPWM或SVM）用于此過程。

如前所述，通過控制切換在功率逆變器內(nèi)的MOSFET中，可以創(chuàng)建空間矢量表示，如圖3所示。相鄰單位矢量之間的空間被編碼以產(chǎn)生1到6之間的扇區(qū)，以對應(yīng)于換向電循環(huán)的六個開關(guān)扇區(qū)。 。圖3中的扇區(qū)1的特寫如圖7所示。電壓矢量V REF 由電壓矢量V α和V β<組成。 / sub>，角度θ是V d 的反正切除以V q 。 3 圖7顯示V REF 可以通過使用兩個相鄰的單位向量（V 1 和V 2 ）導(dǎo)出，并在每個州花費(fèi)特定的時間（對應(yīng)于一個任務(wù)）周期）。該占空比可以通過使用與矢量數(shù)學(xué)得到的方程類似的方程來計算（見圖8）。

U，V，W向量方程計算

根據(jù)圖7中的公式，可以通過使用1.0的歸一化時間（等于完整的100％占空比）并減去T n 來找到PWM時間。 ?<子> n + 1個 ?？梢酝ㄟ^額外的計算確定扇區(qū)，如圖9所示。

計算完占空比并將其發(fā)送到控制器的PWM模塊后，使用FOC進(jìn)行開環(huán)控制實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在必須集成反饋以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。如圖4所示，使用逆Clarke和逆Park變換測量和變換三個繞組的電流。為了測量這些電流，可以使用幾種不同的策略：與每個相繞組并聯(lián)的分流檢測，底部三個MOSFET與地之間的單個低端分流器，每個MOSFET接地之間的相分流器，或每個MOSFET之間的高側(cè)分流器頂部MOSFET和V DC 。如果設(shè)計成本受限，則使用與繞組一致的兩個分流器的方法提供了良好的測量，因為這提供了直接測量兩個繞組電流的直接方式。第三個電流可以通過使用基爾霍夫電流定律和0的總和來計算。另一個好處是可以在任何時刻測量電流，而不是僅在底部或頂部MOSFET被啟用時測量。在測量這些電流后，應(yīng)使用分流系統(tǒng)可測量的最大電流將它們歸一化到[-1，+ 1]的范圍。

對于位置和速度傳感，編碼器（相對或絕對） ，可以使用霍爾效應(yīng)傳感器，旋轉(zhuǎn)變壓器或磁角度傳感器。但是，根據(jù)傳感器的分辨率，可能需要額外的位置和速度估算方案。無論采用何種技術(shù)，測量的角度必須轉(zhuǎn)換為電角度，以使換向與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置同步，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子變換。角速度也必須是已知的，但這通常保持在機(jī)械域中以匹配所需的輸入速度。

通過已知轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和速度，可以執(zhí)行反向/反向Park和Clarke變換，以將相位電流從靜止定子參考系轉(zhuǎn)換為d，q參考系中的旋轉(zhuǎn)參考系。產(chǎn)生電流和速度誤差項的PI循環(huán)創(chuàng)建誤差向量，然后反饋到前向Park和Clarke變換中，控制過程可以重復(fù)。

那么這個過程應(yīng)該多快重復(fù)一次？答案取決于電機(jī)特性。通常選擇PWM頻率在聽覺范圍之外（15kHz至30kHz），使得電動機(jī)不會發(fā)出聲音共振。然后在PWM中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)FOC和所需的控制環(huán)路，以便PWM的新值可用于下一個PWM周期。這對FOC例程施加了嚴(yán)格的時序限制，因為服務(wù)PWM中斷所花費(fèi)的任何時間都不用于服務(wù)控制處理器的其他方面（例如基于PC的程序的串行接口）。 PWM頻率為30 kHz，每個PWM ISR僅為33.3μs。所以每微秒都很重要！必須注意盡量減少正弦和余弦以及其他浮點(diǎn)計算的計算開銷。通常，最好將FOC例程保持在可用PWM ISR時間的50％以下，因此處理器可以為其他外設(shè)（如UART）提供服務(wù)，以便為不太重要的任務(wù)提供服務(wù)，例如更改所需的速度或設(shè)置新位置。

選定的組件

鑒于實(shí)施FOC本身已經(jīng)很復(fù)雜，仔細(xì)選擇部件有助于最大限度地減少額外的系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)。 ADI公司為電機(jī)控制信號鏈提供了許多部件。這些部件包括柵極驅(qū)動器，絕對角度和霍爾效應(yīng)傳感器，電流傳感器和隔離產(chǎn)品。

圖10中可以看到電機(jī)控制信號鏈組件的簡單框圖。在高級別，使用ADA4571 AMR角度傳感器和AD22151磁場傳感器檢測BLDC軸位置和速度。相繞組電流使用內(nèi)聯(lián)分流電阻測量，AD8418電流檢測放大器消除PWM共模電壓。 LTC2345-18 8×18位ADC將來自傳感器的6個模擬電壓轉(zhuǎn)換為微控制器的數(shù)字領(lǐng)域。微控制器使用這些信號計算PWM占空比，并將其發(fā)送到硬件定時器。 LT1158 MOSFET驅(qū)動器用作功率逆變器的六個MOSFET的柵極驅(qū)動器。

LT1158是一款集成半橋N溝道MOSFET驅(qū)動器。雖然電源電壓范圍為5 V至30 V dc，但輸入PWM波形邏輯可以接受TTL或CMOS電平。此外，單個PWM輸入轉(zhuǎn)換為高和低MOSFET驅(qū)動信號，而芯片自動插入自適應(yīng)死區(qū)時間。這意味著PWM頻率可以動態(tài)變化，并且自動插入死區(qū)時間以保護(hù)MOSFET免受電流擊穿，而無需更改PWM定時器代碼或寄存器。

ADA4571集成各向異性磁阻（AMR）傳感器能夠測量180°旋轉(zhuǎn)到0.5°以內(nèi)。該傳感器采用2.7 V至5 V單電源供電，僅消耗7 mA電流，并啟用溫度補(bǔ)償。該傳感器的輸出是以2.5 V（5 V電源）為中心的兩個模擬正弦波（V SIN ，V COS ）。一旦V SIN 和V COS 的電壓被數(shù)字化，它們就可以通過簡單的公式轉(zhuǎn)換為一個角度：

為了測量360°的絕對旋轉(zhuǎn)，ADA4571可以與線性輸出磁場（霍爾效應(yīng)）傳感器（如AD22151）組合使用。 AD22151設(shè)計用于單5V工作電源，輸出與垂直于封裝的磁場成線性比例的電壓。在正常操作期間，器件最大可吸收10 mA電流，并可檢測具有不同增益量的雙極或單極磁場。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是模擬輸出電壓，可以輕松添加到已經(jīng)測量模擬量的系統(tǒng)，如電流傳感器輸出或附加的模擬角度傳感器。通過將AD22151垂直于ADA4571放置，輸出可以通過軟件融合在一起，以便感應(yīng)軸安裝的直徑磁鐵的360°運(yùn)動。

與角度傳感器一起，感應(yīng)FOC需要精確通過BLDC測量相電流。 AD8418是一款雙向零漂移電流檢測放大器，非常適合該任務(wù)。該外部并聯(lián)放大器在整個溫度范圍內(nèi)工作時的增益為20 V / V，共模抑制范圍為-2 V至+ 70 V.該放大器還可以檢測通過分流器的雙向電流，這在測量相電流時特別有用。 BLDCs。該器件設(shè)計用于2.7 V和5 V之間的電源電壓V S ，模擬輸出電壓以V S / 2為中心。如果選擇電源為5 V，則輸出以2.5 V為中心，與ADA4571一樣。

對于模擬輸出傳感器，結(jié)果必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。雖然存在多個ADC，但由于8個同時采樣通道，LTC2345特別適用于電機(jī)控制。采樣與轉(zhuǎn)換線上的單個上升沿同步。然后，相電流和絕對角度傳感器輸出可以在中心對齊PWM期間同步到同一時刻。單5 V電源工作簡化了電源設(shè)計，同時仍然消耗不到20 mA的電流。獨(dú)立的數(shù)字邏輯輸出電壓允許LTC2345與較低電壓的微控制器，處理器或FPGA接口。由于模擬輸入范圍的靈活性，位置和電流傳感器的2.5 V偏移可以通過使用（IN-）模擬輸入通道在硬件中自動刪除?？梢允褂?a target="_blank">SDO輸出以不同的時鐘速率從LTC2345輸出數(shù)據(jù)，具體取決于所需的采樣吞吐量。

結(jié)論

隨著控制驅(qū)動系統(tǒng)中BLDC的普及，需要更先進(jìn)的算法，傳感器和驅(qū)動電路。正弦和FOC是兩種換向策略，可以精確控制BLDC。兩種策略都需要精確測量BLDC的轉(zhuǎn)子角度，如果沒有合適的元件，這可能很難。但是，ADA4571和AD22151簡化了這種測量。 LT1158通過減少PWM線并消除死區(qū)時間的計算，簡化了BLDC三相的PWM驅(qū)動線。 AD8418簡化了繞組電流，LTC2345可輕松實(shí)現(xiàn)多個模擬傳感器輸出的數(shù)字化和同步。這些部件僅代表ADI公司電機(jī)控制應(yīng)用產(chǎn)品組合的一小部分。