瑞薩直流無刷馬達控制解決方案

理解高效率电机 的原理及正确的使用方法: 3 of 3

前兩節探討了一些直流無刷馬達的特性及優勢。這些馬達精巧且高效率,是致力於提供節省空間且節能系統之開發人員的絕佳選擇。這些開發人員面臨的一個阻礙,就是預期建置有效直流無刷馬達控制的難度。但瑞薩已有所準備,可提供大幅減化過程的解決方案。本節將利用瑞薩的解決方案入門套件「用於RX23T之24V馬達控制評估系統」(以下稱「馬達RSSK」),實際控制直流無刷馬達。馬達RSSK為一組變頻器電路板、控制軟體及馬達控制所需之開發支援工具。

馬達RSSK簡介

如本系列第二節所示,直流無刷馬達控制需要使用變頻器電路,搭配能產生適當PWM控制訊號的MCU。馬達RSSK提供實現馬達控制的所有必備要素,實際上是一個創新的解決方案。使用者可從瑞薩官網免費下載相關控制軟體及開發支援工具,幾乎任何人都能輕鬆取得一些各種馬達控制方法的實作經驗。

此處提供的套件附有一個RX23T馬達控制MCU,其安裝在與變頻器電路板相連的CPU卡上。在此位置上可使用搭載不同MCU的CPU卡,讓使用者能試用多種MCU,並從中做出選擇。

另有多種控制軟體可與馬達RSSK搭配使用,支援向量控制(磁場導向控制)、120度方波控制等。本節中將示範120度方波控制搭配霍爾感測器,以及無感測器向量控制。我們先從120度方波控制開始。

图1:电机RSSK (Renesas Solution Starter Kit)套件

圖1:馬達RSSK(瑞薩解決方案入門套件)

馬達控制設置:分析器功能

既然從120度方波控制開始,即必須先從瑞薩官網下載「霍爾120度方波控制」軟體,並將其寫入馬達控制MCU內。亦需要下載瑞薩的Motor Workbench (RMW),此用於馬達控制工作的開發支援工具。請從下方連結下載軟體:

霍爾120度方波控制軟體

瑞薩Motor Workbench

Renesas Motor Workbench的初始画面

圖2:瑞薩Motor Workbench:初始畫面

瑞薩Motor Workbench (RMW)分別有“分析器”和“調節器”的功能,就讓我們先試試分析器功能吧!

分析器的其中一個重要優點就是它允許用戶讀取和寫入MCU內部變量,無需停止CPU或關閉馬達,就可查看即時波形顯示。如此一來就可避免PWM持續輸出而導致過電流損壞變頻器板的風險。此功能在馬達控制應用中尤其重要,因為它不像其他應用程序那樣,需要透過破壞(停止)程序才能檢查MCU內部的變量。另外,在稱為向量控制的馬達控制方法中, MCU內部計算的電流值“d軸”或“q軸”可用於控制,而該值無法使用示波器檢查。但這其實是一個很大的特點,因為它可以直接檢查當前的數值。

分析器是一個非常有用的馬達控制開發工具組,提供了設置觸發器、縮放顯示等功能。由於此功能可以被即時分析,因此它比一般使用DA轉換器或外部匯流排來向外接儲存器輸出數據進行分析的方式,要來得有效許多。 分析器也是瑞薩網站發布的馬達控製程序用戶界面,可透過變量來控制馬達的運作。用戶可以輕鬆地利用MCU變量來控制馬達的運行和停止。

120度方波控制實作

現在使用分析器運行具有120度方波控制的馬達。詳細說明參閱套件的使用者文件,以及軟體隨附的應用須知。

图3:120度通电控制的电流波形(粉色/红色/淡蓝色:U相/V相/W相的电流波形)与切换通电类型的信号(蓝色)

圖3:120度方波控制波形

U相(粉紅色)、V相(紅色)、W相(淺藍色)及通電切換訊號(藍色)

分析器呈現如圖3所示之波形顯示,故能觀看每一相的波形。畫面中間顯示不同顏色的波形,畫面下方顯示對應的資料數值。雖然有一些變頻器電路切換瞬間無法取得電流值的情況,但軟體確實成功顯示特徵波形。藉由120度方波控制,可取得長方形的電流波形,如上圖所示。通電模式與藍色訊號的變化同步切換。

還記得在第二節中,我們提到120度方波控制容易在馬達移動時產生一些轉矩漣波。但觀察套件內含馬達的操作,並沒有太多的漣波。這是微小的振動,即使觸摸時也無法察覺。實際應用中會使用此控制方法亦可做為證明。

向量控制設置:Tuner參數調整功能

現在來看無感測器向量控制。如同120度方波控制,必須將控制程式寫入RX23T CPU卡中。無感測器向量控制的程式有2種類型,一種是,一旦寫入馬上能夠進行電機控制的網路公開程序。另一種是在下載了RMW (Renesas Motor Workbench) 的文件夾中,帶有Tuner功能的無感測器向量控制程式。Tuner功能自動調整向量控制所需之馬達參數值及控制參數值。向量控制需要大量參數。Tuner可大幅簡化正確設定數值的工作量。

但若使用網頁版程式則不需要自動微調,因為程式已調整至可與套件隨附的馬達搭配使用。雖然可以使用網頁版程式進行向量控制試做,但此處將使用Tuner功能,以瞭解其運作方式。配備Tuner功能的程式屬於下載之RMW的一部分,位於RMW的mot_rmt資料夾內。

图4:用带有Tuner功能的矢量控制程序连接Renesas Motor Workbench的画面

圖4:使用帶有Tuner功能的向量控制程式連接RMW時的畫面

當使用下載的程式連接至工具時,可選擇執行分析器或Tuner。

自動調整馬達參數

向量控制需要正確設定許多馬達及控制參數。雖然準確的參數數量取決於使用的控制程式,但一般為20個左右。

Tuner可大幅減少調整所有這些參數所需要的時間。若使用Tuner,唯一要做的就是連接想要操作的直流無刷馬達,再輸入適當的額定電流、額定電壓與極對數量等數值。程式接著會自動量測、計算並輸出有關的參數值。只需將這些數值載入馬達控制軟體中,軟體即可提供穩定的馬達控制。

 

按照使用者文件,操作Tuner功能。約需要30秒即可完成自動參數調整。根據Tuner功能,可以將調整後的結果輸出為可用於瑞薩電子的矢量控製程序的定義文件,或可將結果寫入PDF報告(如圖5所示)。此為非常方便的累積調整結果的方式,不需要重複調整相同的馬達。

图5:Tuner输出的参数的表示图例

圖5:Tuner產生的參數表示圖例

使用者輸入有關的額定電流、額定電壓與極對數量等數值輸入至Tuner後,自動計算並顯示控制參數如上圖所示。

向量控制實作

現在我們用自動調整後的參數值,以無感測器向量控制驅動直流無刷馬達──此為扭力直接控制電流的方法。如第二節之說明,向量控制的原理為座標空間轉換,將三相交流數值視為兩相直流數值。兩相係指扭力電流分量(q軸電流)與激磁電流分量(d軸電流)。可在畫面上檢視不同相位的波形(圖6)。

图6:矢量控制的电流波形

圖6:向量控制:電流波形


q軸(紅色)、d軸(藍色)、U相(黃色)、V相(橘色)、W相(綠色)首先试着让电机以上圖顯示馬達開始以1000 rpm運轉時產生的波形。
確認扭力分量(紅色的q軸分量)約為50 mA。

圖7顯示在馬達上加一個小負載後之情況。如圖所示,d軸電流保持不變,而扭力分量電流(q軸)增加至約100 mA。換句話說,扭力隨負載增加而上升,沒有明顯的低效率情況。若觀察對應的三相圖,即可發現全部三相的電流都均勻增加。藉由向量控制可視需要改變q分量電流,以輸出與負載相應的扭力;若是單獨調整三相的電流則很難達到此效果。亦可發現在120度方波控制產生相對長方形的三相波形處,向量控制的波形整齊且為正弦波。雖然單純的檢視可能看不出細部差異,但圖像確實呈現出向量控制能使馬達更平順旋轉的觀感。

图7:施加负荷时的电流波形

圖7:負載下的波形

嘗試一下直流無刷馬達控制

本節說明如何利用瑞薩的解決方案入門套件,試著以120度方波控制及無感測器向量控制,控制直流無刷馬達。套件的使用者文件及軟體的應用須知,可協助您快速並順利完成這些試作。已提供這兩種控制方法的軟體,故使用者可比較兩種方法,並更深入瞭解各種情況涉及的原理。強烈推薦考慮在未來應用中使用直流無刷馬達者使用本套件。

RMW設置及套件使用等詳細資訊,可觀看瑞薩官網提供的影片。*點擊此處購買RSS套件。

結論

此為我們直流無刷馬達講解系列的第三節。不同於容易連接及運作的有刷直流馬達,直流無刷馬達需要更多工作。但其亦提供高效率及小尺寸等重要的優勢。使用上已擴及許多應用領域,而這些馬達很可能會在日後逐漸成為主流。其中,採用無感測器向量控制提供最高的效率等級及消除感測器硬體等優勢,是其日漸受到重視的原因。雖然無感測器向量控制實際上相當複雜,但馬達RSSK可大幅加快建置過程。我們鼓勵現有及潛在的客戶考慮使用瑞薩的解決方案以加快系統建置,並因精巧、高效率且高度可控制的直流無刷馬達而獲益。

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