无刷直流电机(BLDC)双闭环调速解析16810.pdf

无刷直流电机(BLDC)双闭环调速系统

在无刷直流电机双闭环调速系统中，双闭环分别是指速度闭环和电流闭环。对于PWM

的无刷直流电机控制来说，无论是转速的变化还是由于负载的弯化引起的电枢电流的变化，

可控量输出最终只有一个，那就是都必须通过改变PWM的占空比才能实现，因此其速度环和

电流环必然为一个串级的系统，其中将速度环做为外环，电流环做为内环。调节过程如下所

述：由给定速度减去反馈速度得到一个转速误差，此转速误差经过PID调节器，输出一个值

给电流环做给定电流，再由给定电流减去反馈电流得到一个电流误差，此电流误差经过PID

调节器，输出一个值就是占空比。

在速度环和电流环的调节过程中，PID的输出是可以作为任意量纲(即无量纲，用标幺

值来表示；标幺值：英文为perunit，简写为pu，是各物理量及参数的相对单位值,是不带

量纲的数值)来输入给下一环节或者执行器的，因此无需去管PID输出的量纲，只要是这个

输出值反映了给定值和反馈值的差值变化，能够使这个差值无限趋近于零即可，相当于将输

出值模糊化，不用去搞的太清楚，如果你要是一直在这里纠结输出值具体是个什么东西时，

那么你就会瞎在这里出不来了。假如你要控制一个参数，并且这个参数的大小和你给定量和

反馈量有着直接的关系(线性关系或者一阶导数关系或者惯性关系等)，那么就可以不做量纲

变换。比如速度环的PID之后的输出就可以直接定义为转矩，因为速度过慢就要提高转矩，

速度过快就要减小转矩，PID输出量的意义是调整了这个输出量，就可以直接改变你要最终

控制的参数，并且这个输出量你是可以直接来控制的，这种情况下PID输出的含义是你可以

自己定的，比如直流电机，速度环输出你可以直接定义为转矩，也可以定义为电流，然后适

当的调节PID的各个参数，最终可以落到一个你能直接控制的量上，在这里最终的控制量就

是占空比的值，当占空比从0%—100%时对应要写入到寄存器里面的值为0—3750时，那么0

—3750就是最终的控制量的范围。

在调速控制中，既要满足正常负载时的速度调节，还要满足过负载时进行电流调节。如

果单独采用一个调节器时，其调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态

品质，因此采用两个调节器，分别调节主要被调量转速和辅助被调量电流，以转速调节器的

输出作为电流调节器的输入，电流环是通过电流反馈控制使电机电枢电流线性受控，可达到

电机输出力矩的线性控制，并使其动态范围响应快，最后再输出去控制占空比，从而改变

MOSFET的导通时间，二者之间实行串级连接，它是直流电力传动最有效的控制方案。

在双闭环调速系统中，输入参数有三个，分别为给定速度和反馈速度以及反馈电流，其

中给定速度由用户指定，一般指定为旋转速度(RPM转/分钟)或直线速度(m/s米/秒)。而反

馈速度和反馈电流则需要由传感器来获取，下面来讲一下在无刷直流电机控制系统中，反馈

速度和反馈电流的获取。

反馈速度：简单点的就由电机内用来检测转子位置的三个霍尔元件来得到，高端点的就加光

电编码器，分别称为霍尔元件测速和编码脉冲测速。

霍尔元件测速：在电机磁极对数为1的情况下，转子旋转一周的时间内，霍尔传感器输

出3路各180度信号，其中每两个传感器之间有60度的交叠信号，只要检测其中一路霍尔

传感器的信号宽度就能计算出电机的速度。用输入捕捉(CAP)端口在上升沿捕捉一个时间标

签，再在下降沿捕捉一个时间标签，根据两个时间标签的差值得出周期，由于霍尔传感器是

在电机内固定不变的，因此每次在霍尔传感器的信号宽度下旋转的角度是一定的(即走过的

距离是固定的)，最后用此固定的距离除以周期即可得到速度，即T法测速，测量两个信号

之间的时间换算成周期。那么转子每转180度可以测到一次速度(旋转一周内可以测到2次

速度)，而在电机磁极对数为10的情况下则转子每转18度可以测到一次速度(旋转一周内可

以测到20次速度)，这种方法简单实用，但是在电机转速较低时，获取一次有效速度的时间

较长，实时性较差。

编码脉冲测速：是用数字脉冲测量转速的方式，精度取绝于数字脉冲的编码线数(编码

线数就是编码器的分辨率,也就是转子转一圈所发出的脉冲数)。

脉冲测速最典型的方法有测频率(M法)和测周期(T法)。

定性分析：

M法是测量单位时间内的脉冲数换算成频率，因存在测量时间内首尾的半个脉冲问题，

可能会有2个