10萬轉(zhuǎn)電機無極調(diào)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(diào)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(diào)速、PWM調(diào)速、分段速度調(diào)速（或給定速度調(diào)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(diào)高速無刷電機無級調(diào)速時遇到一些問題，結(jié)合自己近20年的電機驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換需求來算，一個周期內(nèi)，AD轉(zhuǎn)換時間約為2.5US。
當使用AD電位器調(diào)速時可能存在的問題：使用AD電位器調(diào)速時，調(diào)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(zhuǎn)換精度位，可調(diào)轉(zhuǎn)速精度最高為24.4RPM。若存在2個AD轉(zhuǎn)換位誤差時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換位誤差，所以在沒有做軟件AD濾波的時候，無極調(diào)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(diào)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(zhuǎn)速電機上，如暴力風扇、高速風機、可以聽到電機因為轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)換上加一道濾波算法，將AD采集的干擾濾除。這樣會使調(diào)速精度降低，從而略微影響電機調(diào)速時轉(zhuǎn)速變化的平滑度。
當使用PWM調(diào)速時可能存在的問題：
教科書的PWM調(diào)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(zhuǎn)換成AD模擬值，有時為了提升轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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(qū)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(diào)速，固定幾個速度值，或三檔或五檔或十檔，進行切換調(diào)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(diào)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(qū)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(diào)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(diào)速是電機控制的基本內(nèi)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(diào)速策略是否合理，導致項目無法順利完成。
以上都是結(jié)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(shù)，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！