10萬轉電機無極調速，翻車細節(jié)！

嵌入式專欄

作者 | CW32生態(tài)社區(qū)

無刷電機調速控制是電機控制的基本要求。
常見的控制方式無外乎幾種：電位器（AD）調速、PWM調速、分段速度調速（或給定速度調速）。


一本經(jīng)典的書籍，推薦學習文末掃碼進群獲取最近在調高速無刷電機無級調速時遇到一些問題，結合自己近20年的電機驅動開發(fā)經(jīng)驗，分享一些問題和心得。
我最近開發(fā)的這個應用，MCU選用了CW32L010。采用AD比較過零點，無感控制BLDC方式。AD轉換速率最快為2M。即每一個數(shù)據(jù)點采樣時間為0.5US。一個PWM周期按5路AD轉換需求來算，一個周期內，AD轉換時間約為2.5US。
當使用AD電位器調速時可能存在的問題：使用AD電位器調速時，調速精度最高計算方法：100000/4096=24.4RPM（以CW32L010為12位AD計算）。即每個AD轉換精度位，可調轉速精度最高為24.4RPM。若存在2個AD轉換位誤差時，轉速變化將為50RPM左右。實際控制中，由于硬件上地線干擾等引起的AD輸入的干擾，會引起更多不確定的AD轉換位誤差，所以在沒有做軟件AD濾波的時候，無極調速很難將速度控制在一個理想值。因此，在使用電位器無極調速時，發(fā)生ADC采集到的給定的電壓值存在浮動（或開環(huán)占空比浮動），容易引起電機輸出速度的浮動。反映在高轉速電機上，如暴力風扇、高速風機、可以聽到電機因為轉速不恒定而產(chǎn)生不均勻的噪音。就像末日刮風胡亂吹一樣。幾乎所有涉及到高速電機的產(chǎn)品，很少有用無極調速的方式，更多的是使用分段給定速度的方法，也就是換擋調速。但有時客戶有應用需求，也有簡單的方法可以解決，也就是在AD轉換上加一道濾波算法，將AD采集的干擾濾除。這樣會使調速精度降低，從而略微影響電機調速時轉速變化的平滑度。
當使用PWM調速時可能存在的問題：
教科書的PWM調速，是讓MCU對PWM進行輸入捕獲，但在實際使用中仍會有很多問題。
比如這個PWM占空比的識別，存在非常占用中斷資源和定時器時鐘資源的問題。
這給MCU的運算處理增加了很多負擔。PWM輸入頻率越低，MCU負擔越輕。
同時，外部的干擾有時會導致定時器精度受限，也會出現(xiàn)無法準確識別100%占空比的情況（這種可以將99%占空比認定為100%）
在很多普遍的應用中，都是在硬件的PWM輸入處增加一個RC濾波器，將PWM值轉換成AD模擬值，有時為了提升轉換的線性度，也會使用運放設計一個跟隨器電路，增大RC輸入的內阻。此時PWM輸入頻率越高越好。
但這種方式也有點小問題，在不標定的情況下，無法準確確定PWM轉AD的線性的對應關系。
如果回到PWM輸入捕獲，在使用PWM頻率為10K時，我們不使用輸入捕獲功能，而是改為IO邊沿中斷，減輕MCU運算負擔，PWM引起的IO中斷頻率將為20K(需要捕獲2次邊沿中斷)，即50US。此時，電機驅動器相當于一個開環(huán)執(zhí)行器，在一些控制應用中，可以通過外部增加如壓力、溫度、速度等閉環(huán)控制。
使用分段速度給定可能存在的問題：
分段速度最易理解。在這里指不做無級調速，固定幾個速度值，或三檔或五檔或十檔，進行切換調整。該方法可以通過按鍵切換速度檔位，或以通訊控制給定確定不變的速度值。
很多新人工程師想當然的去做時，卻會發(fā)現(xiàn)在這種方式下，
由于速度調整變化，在不同檔位之間切換時會有不連續(xù)的感覺。
以風機、泵類驅動最為明顯。
也以降檔（降速）控制最為明顯。
只需要平緩降（升）速即可解決。

不合理的調速策略，可能會帶來產(chǎn)品噪音及運行穩(wěn)定性的問題，雖然調速是電機控制的基本內容，但在產(chǎn)品及工程應用時，需要考慮很多細節(jié)因素。而對于很多經(jīng)驗不足的工程師，在排查開發(fā)問題時，往往不會關注到他們的調速策略是否合理，導致項目無法順利完成。
以上都是結合自己的開發(fā)經(jīng)驗淺談一下，歡迎批評建議和討論。
寫在最后：電機控制應用是一個綜合性很強的技術，如果您對此感興趣，可以參加CW32生態(tài)社區(qū)舉辦的免費的電機控制應用專題培訓直播，我也會在直播間給大家分享干貨知識~解答開發(fā)疑慮~各種獎品福利~記得掃碼報名，進群領取電機控制資料！