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摘要
无传感器无刷直流(BLDC)电机广泛用于工业和医疗应用、如真空吸尘器、泵、CPAP 风机等 在这些应用中让 BLDC 电机减速是关键要求之一。 在 BLDC 电机中、快速减速可能非常具有挑战性、因为电机动能会返回到电机驱动器系统中、并导致电源发生电压过冲。 快速减速的另一个挑战是 BLDC 电机在较低速度时可能会失去同步。 本文介绍了 MCF8316A 和 MCF8315A 的主动制动功能如何克服这些挑战、以实现更快、更安全的电机减速。
BLDC 电机电气模型
图1显示了 d-q 轴中 BLDC 电机或永磁同步电机(PMSM)的基本电气模型。
图1. BLDC 电机电气模型
电机处于电机运行模式
图2. 电机运行模式下的 BLDC 电机的相量图
- 假设电机是表面贴装永磁同步电机(SMPMSM)、d 轴上的相电流(ID)为0。
- 图2中的相量图显示了电机运行模式。 在此模式下、电机驱动器会驱动电机产生机械能。 q 轴中产生电机转矩的相电流与反电动势(BEMF)电压保持一致、可生成最大转矩。
- 在电机运行模式下，输入电源引脚= Vd*ID + VQ*IQ 。 由于 ID = 0，Pin = VQ*IQ 或 e*IQ，其中 e 是 BEMF 电压，Iq 是 q 轴中的相电流。 Ω 产生的输出机械功率是 Pout = T*θ Ω、其中 T 是扭矩、 是电机转速。
- Ω Rs 两端的电机损耗和电阻下降、电机产生的扭矩 T = e*Iq/μ s。
正常制动模式下的 BLDC 电机
图3. 正常制动模式下 BLDC 电机的相量图
- 在正常制动模式下、施加负扭矩来制动电机、因此相电流 Iq 和扭矩 T 将为负。
T =-e*IQ/μ Ω
- 图3中的相量图显示了正常制动模式下的电机。 在此模式下、相电流与 BEMF 电压异相以制动电机。
- 在此模式下、输入电源引脚=-e*Iq、这意味着功率将流入电机驱动器、导致直流母线电压过冲。
图4. 正常制动模式下的直流母线电压、相电流和电机转速
图4以黄色显示直流母线电压、以绿色显示相电流、以粉色显示电机转速。 在正常制动模式下、当电机从100%速度减速至20%速度时、直流母线电压从标称电压20V 过冲至28.8V。 电机从100%减速至20%所需的时间为1.45秒。
BLDC 电机处于主动制动模式
要让电机快速减速、需要提取并处理电机的机械能-如果此能量返回到直流输入电源、输入直流电压将会增大。 在启用主动制动后、来自直流电源的能量将用于使电机制动-这可在快速减速期间防止出现直流电压尖峰。 电机的机械能和来自直流电源的能量都将在电机本身内耗散。
图5. 主动制动模式下的 BLDC 电机相量图
图5中的相量图显示了处于主动制动模式下的电机。 在此模式下，正 ID 电流注入电机，使中的 Vd*ID 分量大于 VQ*Iq。 由于引脚大于零、功率不会流回直流电源。
在 MCF8316A 和 MCF8315A 中、ACTIVE_BRAKE_EN 应设置为1b、以启用主动制动并在电机快速减速期间避免直流母线电压尖峰。 主动制动也可在反向驱动或电机停止期间用于快速降低电机转速而不会出现直流电压尖峰。 可使用 ACTIVE_BRAKE_CURRENT_LIMIT 来配置主动制动期间从直流母线拉取的电流的最大限制(IDC_ref)。 主动制动期间的功率流控制是通过使用电流的 Q 轴(Iq)和 D 轴(Id)分量实现的。 D 轴电流基准(id_ref)是使用 PI 控制器根据直流母线电流限制(IDC_ref)和估算的直流母线电流(IDC)之间的误差生成的。 IDC 值由测得的相电流、相电压和直流母线电压估算、其中使用功率平衡公式(假设效率为100%、将瞬时直流母线功率等于全部三个瞬时相功率之和)。 在主动制动期间、直流母线电流限制(IDC_ref)从零开始、并使用由 ACTIVE_BRAKE_BUS_CURRENT_SLEW_RATE 定义的电流压摆率线性增加到 ACTIVE_BRAKE_CURRENT_LIMIT。 PI 控制器的增益常数可使用 ACTIVE_BRAKE_KP 和 ACTIVE_BRAKE_KI 进行配置。 图6显示了主动制动 id 电流控制环路。
图6. 显示了主动制动 ID 电流控制环路
图7. 主动制动模式下的直流母线电压、相电流和电机转速
图7以黄色显示直流母线电压、以绿色显示相电流、以粉色显示电机转速。 在主动制动模式下、当电机从100%速度减速到20%速度时、直流母线电压不会过冲。 电机从100%减速到20%所需的时间为1.38秒。
结论
图4和图7中的波形显示了 TI 的主动制动功能如何快速使电机减速、而不会过冲直流母线电压。 有关更多详细信息、请点击以下链接查看。
MCF8316A - www.ti.com/product/MCF8316A
MCF8315A - www.ti.com/product/MCF8315A
