التحكم في سرعة محرك BLDC: شرح الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة وPID

لماذا تحتاج محركات BLDC إلى التحكم النشط في السرعة

يبطئ محرك التيار المستمر المصقول أو يزيد سرعته بطريقة مباشرة إلى حد ما - قم بتغيير الجهد عبر الفرش، وسيستجيب المحرك. لا يتمتع محرك DC (BLDC) بدون فرش بهذه الرفاهية. بدون الفرش ومبدل التيار الميكانيكي، هناك شيء آخر يجب أن يقرر أي ملف سيتم تنشيطه وفي أي لحظة، ويصبح نفس النظام مسؤولاً عن السرعة أيضًا.

هذا "الشيء الآخر" هو وحدة التحكم في المحرك. فهو يقوم بتحويل التيار من خلال اللفات ثلاثية الطور بالتسلسل الصحيح للحفاظ على دوران المحرك، ومن خلال ضبط كيفية حدوث هذا التبديل، فإنه يحدد أيضًا مدى سرعة دوران الدوار. إذا أخطأت في استراتيجية التحكم، فإما أن المحرك لا يستطيع الوصول إلى السرعة المطلوبة، أو أنه يطارد ويتأرجح بدلاً من الثبات - وهي مشكلة تظهر باستمرار في عادةً ما يتم إقران المحركات المحورية بمحركات BLDC التي يتم التحكم في سرعتها على الدراجات الإلكترونية والمركبات الكهربائية الخفيفة، حيث يتوقع الدراجون أن تكون استجابة دواسة الوقود فورية وخطية.

التحكم في سرعة الحلقة المفتوحة: دورة تشغيل PWM

إن أبسط طريقة للتحكم في سرعة محرك BLDC هي الحلقة المفتوحة: تقوم وحدة التحكم بضبط دورة عمل تعديل عرض النبضة (PWM) التي تغذي ترانزستورات الطاقة، مما يغير متوسط الجهد المطبق على اللفات، مما يغير السرعة. دورة عمل أعلى، جهد متوسط ​​أكبر، دوران أسرع. لا توجد حلقة تغذية مرتدة تتحقق مما إذا كان المحرك قد وصل بالفعل إلى السرعة المطلوبة أم لا - فوحدة التحكم تطلب فقط دورة عمل وتثق في أن المحرك سيتبعها.

يعد هذا الأسلوب شائعًا لأنه رخيص وسهل التنفيذ إرشادات تطبيق شركة Texas Instruments بشأن التحكم في BLDC المستشعر يلاحظ أنه يعمل بشكل جيد على وجه التحديد في الأنظمة التي يمكن التنبؤ فيها بالعلاقة بين الإدخال والسرعة الناتجة ولا يعد التتبع الدقيق أمرًا بالغ الأهمية. تظهر المقايضة في ظل الحمل المتغير: بدون ردود فعل، تؤدي زيادة الحمل المفاجئة إلى انخفاض السرعة وليس لدى وحدة التحكم أي طريقة لمعرفة أنها بحاجة إلى التعويض.

التحكم في سرعة الحلقة المغلقة: مستشعرات القاعة والتعليقات

يعمل التحكم في الحلقة المغلقة على حل هذه النقطة العمياء عن طريق إضافة إشارة تغذية راجعة - عادةً من مستشعرات تأثير Hall الموجودة بالفعل للتبديل، وأحيانًا من جهاز تشفير مخصص. تقوم وحدة التحكم بمقارنة السرعة الفعلية بشكل مستمر مع الهدف، وتحسب الخطأ، وتضبط دورة عمل PWM في الوقت الفعلي لسد الفجوة.

نظرًا لأن مستشعرات Hall تقوم بالفعل بالإبلاغ عن موضع الدوار لأغراض التخفيف، فإن استخلاص السرعة من التوقيت بين انتقالات حالة Hall يضيف القليل من تكلفة الأجهزة الإضافية. وهذا يجعل التحكم في الحلقة المغلقة القائم على Hall هو الخيار الافتراضي عبر معظم تطبيقات BLDC التجارية - فهو يحافظ على ثبات السرعة مع تغير الحمل، دون الحاجة إلى مستشعر سرعة منفصل.

التحكم PI وPID: الخوارزميات وراء دقة الحلقة المغلقة

عادةً ما تعود الرياضيات داخل التحكم في الحلقة المغلقة إلى وحدة تحكم PI أو PID تعمل على الخطأ بين السرعة المستهدفة والسرعة الفعلية.

تجمع وحدة التحكم PI (التكامل النسبي) بين الحد التناسبي الذي يتفاعل مع الخطأ الحالي مع الحد المتكامل الذي يتراكم الخطأ السابق بمرور الوقت، مما يلغي إزاحة الحالة الثابتة الصغيرة التي قد يتركها المصطلح التناسبي وحده. تؤدي إضافة مصطلح مشتق إلى تحويلها إلى وحدة تحكم PID كاملة، والتي تتفاعل مع معدل تغير الخطأ أيضًا - وهي مفيدة لتخميد التجاوز في الأنظمة التي تحتاج إلى الاستقرار على السرعة المستهدفة بسرعة دون التأرجح وراءها.

يميل التحكم PI إلى أن يكون الإعداد الافتراضي العملي لتنظيم السرعة للأغراض العامة لأنه أسهل في الضبط وأقل حساسية لضوضاء المستشعر من حلقة PID الكاملة. يكتسب PID تعقيدًا إضافيًا في تطبيقات مثل الروبوتات أو الطائرات بدون طيار، حيث يكون التثبيت السريع والدقيق عند سرعة جديدة أكثر أهمية من ضبط البساطة.

كيف يؤثر اختيار وحدة التحكم على جودة التحكم في السرعة في العالم الحقيقي

تعمل خوارزمية التحكم فقط مثل الأجهزة التي تنفذها. ستظل وحدة التحكم ذات حلقة التحكم البطيئة أو الاستشعار الضعيف للتيار تطارد وتتأخر حتى مع مكاسب PID المضبوطة جيدًا، وهذا هو سبب أهمية سرعة الاستجابة كمواصفات الأجهزة، وليس فقط كمواصفات برمجية. وحدة تحكم سريعة الاستجابة تم ضبطها لتصحيح السرعة السريعة يقصر التأخير بين تغيير الحمل والاستجابة التعويضية لوحدة التحكم، وهو ما يحدد في الواقع مدى ثبات المحرك في ظل تقلبات الحمل في العالم الحقيقي بدلاً من اختبار المقعد النظيف.

يؤثر تردد تبديل PWM وتفاعله مع ملفات المحرك أيضًا على الجانب المسموع والميكانيكي للتحكم في السرعة - يمكن لنظام التبديل الذي تم ضبطه بشكل سيئ أن ينتج صوتًا أو اهتزازًا يزداد سوءًا مع تغير دورة التشغيل. وحدة تحكم فائقة الهدوء تحافظ على انخفاض ضوضاء تحويل PWM عند السرعة يعالج ذلك بشكل مباشر، وهو أمر مهم في تطبيقات المستهلك حيث يكون ضجيج المحرك المسموع بمثابة محرك شكوى بقدر ما يكون الأداء الأولي.

مطابقة وحدة التحكم مع المحرك للتحكم في السرعة بشكل موثوق

حتى وحدة التحكم ذات الحلقة المغلقة المصممة جيدًا لا يمكنها التعويض عن عدم التطابق بين تصنيفها الحالي وتكوين مستشعر Hall والمحرك الذي تقوده. يعد عدد الأقطاب ومقاومة الطور وتوقيت المستشعر كلها عوامل تؤثر على مدى نظافة وحدة التحكم في قراءة التعليقات والاستجابة لها، ويظهر الاقتران غير المتطابق كعملية خشنة منخفضة السرعة أو حرارة زائدة أو تحكم في السرعة لا يستقر أبدًا. دليل إقران وحدة التحكم والمحرك الخاص بنا يغطي كيفية التحقق من أن مواصفات وحدة التحكم تناسب فعليًا المحرك الذي من المفترض أن يقوده قبل ظهور تلك المشكلات في الميدان.

بالنسبة للقراء الذين يرغبون في التعمق في كيفية تنفيذ خوارزمية التحكم نفسها في البرامج الثابتة، نظرة أعمق على طبقة البرمجيات وراء وحدات التحكم في المحركات الحديثة يغطي كيفية تنظيم حلقات التحكم هذه وضبطها على مستوى البرامج الثابتة.