การควบคุมความเร็วของมอเตอร์ BLDC: อธิบาย Open-Loop, Closed-Loop & PID

เหตุใดมอเตอร์ BLDC จึงจำเป็นต้องมีการควบคุมความเร็วแบบแอคทีฟ

มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านจะช้าลงหรือเร็วขึ้นในลักษณะที่ค่อนข้างตรง — เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งแปรง แล้วมอเตอร์จะตอบสนอง มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) ไม่ได้มีความหรูหราขนาดนั้น หากไม่มีแปรงและตัวสับเปลี่ยนเชิงกล มีสิ่งอื่นอีกที่ต้องตัดสินใจว่าขดลวดใดจะได้รับพลังงานในทันที และระบบเดียวกันนั้นก็จะต้องรับผิดชอบต่อความเร็วเช่นกัน

"อย่างอื่น" นั้นคือตัวควบคุมมอเตอร์ โดยจะสลับกระแสผ่านการขดลวดสามเฟสในลำดับที่ถูกต้องเพื่อให้มอเตอร์หมุนต่อไป และด้วยการปรับวิธีการเปลี่ยนที่เกิดขึ้น ก็จะกำหนดความเร็วของโรเตอร์ด้วย หากใช้กลยุทธ์การควบคุมผิด และมอเตอร์อาจไม่สามารถเข้าถึงความเร็วตามที่ร้องขอได้ หรือมอเตอร์จะตามล่าและแกว่งแทนที่จะคงตัว ปัญหาที่ปรากฏขึ้นอย่างต่อเนื่อง มอเตอร์ฮับมักจับคู่กับไดรฟ์ BLDC ที่ควบคุมความเร็ว บนจักรยานไฟฟ้าและ EV แบบเบา ซึ่งผู้ขับขี่คาดหวังว่าการตอบสนองของคันเร่งจะให้ความรู้สึกทันทีและเป็นเส้นตรง

การควบคุมความเร็วแบบ Open-Loop: รอบการทำงานแบบ PWM

วิธีที่ง่ายที่สุดในการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ BLDC คือวงเปิด: ตัวควบคุมจะปรับรอบการทำงานของพัลส์ไวด์ธมอดูเลชั่น (PWM) ที่ป้อนให้กับทรานซิสเตอร์กำลัง ซึ่งจะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่ใช้กับขดลวด ซึ่งจะเปลี่ยนความเร็ว รอบการทำงานที่สูงขึ้น, แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยมากขึ้น, การหมุนเร็วขึ้น ไม่มีวงจรป้อนกลับจะตรวจสอบว่ามอเตอร์ถึงความเร็วที่ต้องการจริงหรือไม่ — ตัวควบคุมเพียงสั่งรอบการทำงานและไว้วางใจให้มอเตอร์ปฏิบัติตาม

วิธีนี้เป็นเรื่องปกติเนื่องจากมีราคาถูกและง่ายต่อการนำไปใช้และ คำแนะนำการใช้งานของ Texas Instruments เกี่ยวกับการควบคุม BLDC แบบเซนเซอร์ สังเกตว่ามันทำงานได้ดีโดยเฉพาะในระบบที่สามารถคาดเดาความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตและความเร็วผลลัพธ์ได้ และการติดตามที่เข้มงวดนั้นไม่สำคัญ ข้อเสียเปรียบจะแสดงภายใต้โหลดแบบแปรผัน: หากไม่มีการป้อนกลับ โหลดที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันจะลากความเร็วลง และผู้ควบคุมไม่มีทางรู้ได้เลยว่าจำเป็นต้องชดเชย

การควบคุมความเร็วแบบวงปิด: เซ็นเซอร์ฮอลล์และข้อเสนอแนะ

การควบคุมแบบวงปิดจะแก้ไขจุดบอดนั้นด้วยการเพิ่มสัญญาณตอบรับ ซึ่งโดยปกติจะมาจากเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ที่มีอยู่แล้วสำหรับการสับเปลี่ยน บางครั้งจากตัวเข้ารหัสเฉพาะ ตัวควบคุมจะเปรียบเทียบความเร็วจริงกับเป้าหมายอย่างต่อเนื่อง คำนวณข้อผิดพลาด และปรับรอบการทำงานของ PWM แบบเรียลไทม์เพื่อปิดช่องว่าง

เนื่องจากเซ็นเซอร์ Hall รายงานตำแหน่งของโรเตอร์เพื่อวัตถุประสงค์ในการเปลี่ยนแล้ว ความเร็วที่ได้รับจากช่วงเวลาระหว่างการเปลี่ยนสถานะ Hall จะเพิ่มต้นทุนฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมเล็กน้อย นั่นทำให้การควบคุมวงปิดแบบ Hall เป็นตัวเลือกเริ่มต้นสำหรับแอปพลิเคชัน BLDC เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ โดยจะรักษาความเร็วให้คงที่เมื่อโหลดเปลี่ยนแปลง โดยไม่จำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์ความเร็วแยกต่างหาก

การควบคุม PI และ PID: อัลกอริธึมเบื้องหลังความแม่นยำของวงปิด

คณิตศาสตร์ภายในการควบคุมวงปิดมักจะลงมาที่ตัวควบคุม PI หรือ PID ซึ่งทำหน้าที่เกี่ยวกับข้อผิดพลาดระหว่างเป้าหมายและความเร็วจริง

ตัวควบคุม PI (สัดส่วน-อินทิกรัล) จะรวมคำศัพท์ตามสัดส่วนที่ตอบสนองต่อข้อผิดพลาดปัจจุบันกับคำศัพท์เชิงปริพันธ์ที่สะสมข้อผิดพลาดในอดีตเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งกำจัดค่าชดเชยสถานะคงที่ขนาดเล็กที่คำตามสัดส่วนเพียงอย่างเดียวจะทิ้งไว้ข้างหลัง การเพิ่มคำอนุพันธ์จะทำให้ตัวควบคุม PID กลายเป็นตัวควบคุม PID เต็มรูปแบบ ซึ่งจะตอบสนองต่ออัตราการเปลี่ยนแปลงของข้อผิดพลาดเช่นกัน ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการลดความเร็วเกินในระบบที่ต้องปรับความเร็วเป้าหมายอย่างรวดเร็วโดยไม่สั่นผ่าน

การควบคุม PI มีแนวโน้มที่จะเป็นค่าเริ่มต้นในทางปฏิบัติสำหรับการควบคุมความเร็วตามวัตถุประสงค์ทั่วไป เนื่องจากปรับแต่งได้ง่ายกว่าและมีความไวต่อสัญญาณรบกวนของเซ็นเซอร์น้อยกว่าลูป PID แบบเต็ม PID มีความซับซ้อนเป็นพิเศษในการใช้งาน เช่น หุ่นยนต์หรือโดรน ซึ่งการตกลงอย่างรวดเร็วและแม่นยำด้วยความเร็วใหม่มีความสำคัญมากกว่าการปรับแต่งความเรียบง่าย

ตัวเลือกคอนโทรลเลอร์ส่งผลต่อคุณภาพการควบคุมความเร็วในโลกแห่งความเป็นจริงอย่างไร

อัลกอริธึมการควบคุมทำงานได้เช่นเดียวกับฮาร์ดแวร์ที่ดำเนินการเท่านั้น คอนโทรลเลอร์ที่มีลูปควบคุมช้าหรือการตรวจจับกระแสไม่ดีจะยังคงค้นหาและล่าช้าแม้ว่าจะมี PID ที่ได้รับการปรับแต่งมาอย่างดี ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมความเร็วในการตอบสนองจึงมีความสำคัญในฐานะข้อมูลจำเพาะของฮาร์ดแวร์ ไม่ใช่แค่ซอฟต์แวร์เท่านั้น ตัวควบคุมที่ตอบสนองรวดเร็วซึ่งได้รับการปรับแต่งเพื่อการแก้ไขความเร็วอย่างรวดเร็ว ลดความล่าช้าระหว่างการเปลี่ยนแปลงโหลดและการตอบสนองการชดเชยของคอนโทรลเลอร์ ซึ่งเป็นสิ่งที่กำหนดอย่างแท้จริงว่ามอเตอร์รู้สึกอย่างไรภายใต้การแกว่งของโหลดในโลกแห่งความเป็นจริง แทนที่จะเป็นการทดสอบแบบตั้งโต๊ะที่สะอาด

ความถี่ในการสลับ PWM และการโต้ตอบกับขดลวดมอเตอร์ยังส่งผลต่อการควบคุมความเร็วด้านเสียงและกลไกด้วย - รูปแบบการสลับที่ได้รับการปรับแต่งไม่ดีอาจทำให้เกิดเสียงสะอื้นหรือการสั่นสะเทือนที่แย่ลงเมื่อรอบการทำงานเปลี่ยนแปลง คอนโทรลเลอร์ที่เงียบเป็นพิเศษซึ่งช่วยให้สัญญาณรบกวนการสลับ PWM ต่ำที่ความเร็ว กล่าวถึงประเด็นนั้นโดยตรงซึ่งมีความสำคัญในการใช้งานของผู้บริโภคซึ่งเสียงมอเตอร์ที่ได้ยินเป็นตัวขับเคลื่อนข้อร้องเรียนพอ ๆ กับประสิทธิภาพดิบ

การจับคู่คอนโทรลเลอร์กับมอเตอร์เพื่อการควบคุมความเร็วที่เชื่อถือได้

แม้แต่ตัวควบคุมวงปิดที่ออกแบบมาอย่างดีก็ไม่สามารถชดเชยความไม่ตรงกันระหว่างพิกัดปัจจุบัน การกำหนดค่าเซ็นเซอร์ฮอลล์ และมอเตอร์ที่ขับอยู่ จำนวนขั้ว ความต้านทานเฟส และจังหวะเวลาของเซ็นเซอร์ ล้วนส่งผลต่อความสะอาดของตัวควบคุมในการอ่านฟีดแบ็กและตอบสนอง และการจับคู่ที่ไม่ตรงกันจะแสดงเป็นการทำงานที่ความเร็วต่ำอย่างคร่าวๆ ความร้อนส่วนเกิน หรือการควบคุมความเร็วที่ไม่เคยคงที่ คู่มือการจับคู่คอนโทรลเลอร์และมอเตอร์ของเรา ครอบคลุมถึงวิธีการตรวจสอบว่าข้อมูลจำเพาะของคอนโทรลเลอร์เหมาะสมกับมอเตอร์ที่ใช้ในการขับเคลื่อนจริงหรือไม่ ก่อนที่ปัญหาเหล่านั้นจะปรากฏขึ้นในภาคสนาม

สำหรับผู้อ่านที่ต้องการเจาะลึกเกี่ยวกับวิธีการนำอัลกอริธึมการควบคุมไปใช้งานในเฟิร์มแวร์ การเจาะลึกเลเยอร์ซอฟต์แวร์เบื้องหลังตัวควบคุมมอเตอร์สมัยใหม่ ครอบคลุมวิธีการจัดโครงสร้างลูปควบคุมเหล่านี้และปรับแต่งที่ระดับเฟิร์มแวร์