如何為無刷直流電機供電和控制

無刷直流電機越來越受歡迎是由于使用了電子換向。這取代了由電刷在換向器上摩擦來為直流電機電樞中的繞組供電的傳統(tǒng)機械裝置。電子換向提供比傳統(tǒng)直流電機更高的效率，對于以相同速度和負載運行的電機，效率提高了 20% 到 30%。正如國際能源署報告的那樣，全球 40% 的電力用于為電動機提供動力，因此這種效率提升變得引人注目。此外，無感直流無刷電機更耐用。它保持其高性能，而等效的傳統(tǒng)電機的效率和功率會因磨損而下降，從而導致電刷接觸不良、電刷和換向器之間的電弧耗散能量以及污垢影響導電性。更高的效率允許 無感直流無刷電機在給定功率輸出的情況下制造得更小、更輕、更安靜，從而進一步提高其在汽車等行業(yè)的受歡迎程度；白色家電；以及供暖、通風和空調(diào) (HVAC)。無感直流無刷電機的其他優(yōu)勢包括卓越的速度與扭矩特性（啟動時的扭矩除外）、更動態(tài)的響應、無噪音運行和更高的速度范圍。無感直流無刷電機的缺點是其復雜性和相關(guān)的成本增加。電子換向需要監(jiān)控電路來確保線圈通電的定時，以實現(xiàn)準確的速度和扭矩控制，并確保電機以高效率運行。幸運的是，這個領域正在迅速成熟，硅供應商現(xiàn)在提供各種高度集成的 無感直流無刷電機驅(qū)動器功率 MOSFET 芯片，帶有外部或嵌入式微控制器，以簡化設計過程，同時降低組件成本。

無感直流無刷電機基礎知識

所有電動機，無論是機械換向還是電子換向，都遵循相同的將電能轉(zhuǎn)換為機械能的基本方法。通過繞組的電流會產(chǎn)生磁場，在存在第二個磁場（通常由永磁體引發(fā)）的情況下，該磁場會在該繞組上產(chǎn)生一個力，當其導體與第二個磁場成 90° 時，該力會達到大值。增加線圈數(shù)量可提高電機輸出并平滑功率傳輸。（Monolithic Power Systems (MPS) 制作了一份應用筆記（參見參考資料 1），其中很好地總結(jié)了電機的基本概念。）無感直流無刷電機通過反轉(zhuǎn)電機設置克服了對機械換向器的要求；繞組成為定子，永磁體成為轉(zhuǎn)子的一部分。定子通常由鋼疊片組成，軸向開槽以容納沿其內(nèi)周的偶數(shù)個繞組。轉(zhuǎn)子由一個軸和一個帶有永磁體的輪轂組成，這些永磁體排列成兩到八個在“N”和“S”之間交替的極對。顯示了一個常見磁體布置的示例，在這種情況下，兩個磁體對直接連接到轉(zhuǎn)子輪轂上。無感直流無刷電機磁鐵對齊示意圖；在無感直流無刷電機中，永磁體連接到轉(zhuǎn)子。典型的配置包括兩到八對在“N”和“S”極之間交替。（提供：公安部）因為繞組是固定的，所以可以建立連接來為它們供電。為了使固定繞組移動永磁體，需要以受控順序?qū)@組通電（或換向）以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。由于定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場使轉(zhuǎn)子以相同頻率旋轉(zhuǎn)，因此 無感直流無刷電機被稱為“同步”型電機。無感直流無刷電機可以是一相、兩相或三相。三相 無感直流無刷電機是常見的，將成為本文其余部分的主題。無感直流無刷電機控制；迄今為止，向三相 無感直流無刷電機順序施加電流的常見配置是使用三對以橋式結(jié)構(gòu)排列的功率 MOSFET，每對控制電機一個相的開關(guān)。在典型的布置中，高端 MOSFET 使用脈寬調(diào)制 (PWM) 進行控制，PWM 將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制驅(qū)動電壓。PWM 的使用允許限制啟動電流并提供對速度和扭矩的控制。PWM 頻率是高頻下發(fā)生的開關(guān)損耗與低頻下發(fā)生的紋波電流之間的權(quán)衡，在極端情況下，這會損壞電機。通常，設計人員使用的 PWM 頻率至少比大電機轉(zhuǎn)速高一個數(shù)量級。

 

Scheme-It 三相BLDC電機示意圖

三相 無感直流無刷電機通常由三對以橋式結(jié)構(gòu)排列并由 PWM 控制的 MOSFET 供電。PWM 提供對電機速度和扭矩的控制。（使用Digi-Key Scheme-it?繪制的圖表0）電子換向有三種控制方案：梯形、正弦和磁場定向控制。梯形技術(shù)（在下面的示例中描述）是簡單的。在每一步，兩個繞組通電（一個“高”和一個“低”），而另一個繞組浮動。梯形方法的缺點是這種“階梯式”換向會導致扭矩“波動”，尤其是在低速時。正弦控制更復雜，但它減少了轉(zhuǎn)矩脈動。在此控制機制期間，所有三個線圈保持通電，每個線圈中的驅(qū)動電流以 120° 正弦變化。與梯形技術(shù)相比，結(jié)果是更平滑的功率傳輸。磁場定向控制依賴于測量和調(diào)整定子電流，以便轉(zhuǎn)子和定子磁通之間的角度始終為 90°。與所有其他技術(shù)相比，這種技術(shù)在高速下比正弦方法更有效，并且在動態(tài)負載變化期間提供更好的性能。幾乎沒有轉(zhuǎn)矩脈動，并且可以在低速和高速下實現(xiàn)更平滑、準確的電機控制。本文將把其余的技術(shù)討論限制在梯形技術(shù)上。在采用梯形控制方案的電機中，MOSFET 橋開關(guān)必須以定義的順序發(fā)生，以便 無感直流無刷電機高效運行。開關(guān)順序由轉(zhuǎn)子磁體對和定子繞組的相對位置決定。三相 無感直流無刷電機需要六步換向序列才能完成一個電氣周期。每個電循環(huán)的機械轉(zhuǎn)數(shù)由轉(zhuǎn)子上的磁鐵對數(shù)決定。例如，將需要兩個電循環(huán)來使由兩對磁鐵組成的轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)一圈。

有感與無感；兩種技術(shù)為位置反饋提供了解決方案。種也是常見的使用三個霍爾效應傳感器嵌入定子并以相等的間隔排列，通常為 60° 或 120°。第二種“無傳感器”控制技術(shù)適用于需要少電氣連接的 無感直流無刷電機。在配備傳感器的 無感直流無刷電機中，每個霍爾效應傳感器都與一個開關(guān)相結(jié)合，該開關(guān)生成邏輯“高”（對于一個磁極）或“低”（對于相反磁極）信號。換向順序是通過組合來自霍爾效應傳感器和相關(guān)開關(guān)的邏輯信號來確定的。在任何時候，至少有一個傳感器被轉(zhuǎn)子的磁極之一觸發(fā)并產(chǎn)生電壓脈沖。說明了逆時針驅(qū)動的三相 無感直流無刷電機的換向順序。霍爾效應傳感器安裝在位置“a”、“b”和“c”。對于換向序列中的每一步，MOSFET 電橋?qū)⒁粋€繞組（“U”、“V”或“W”）驅(qū)動為高電平，同時將一個繞組驅(qū)動為低電平，第三個繞組懸空。例如，在圖的左上角，U 為高（形成 N 極），V 為低（S），W 為浮動。產(chǎn)生的磁場使轉(zhuǎn)子逆時針移動，因為它的永磁體被一個繞組排斥并被下一個繞組吸引。第二階段（下圖）顯示繞組 U 保持高電平，而 V 切換到浮動，W 切換到低電平，從而保持磁場的“旋轉(zhuǎn)”并隨之移動轉(zhuǎn)子。剩余的換向步驟，一個電氣周期，無傳感器 無感直流無刷電機利用電動勢 (EMF)，在任何直流電機的繞組中產(chǎn)生電流，其磁場與楞次定律描述的磁通量的原始變化相反。EMF 趨向于抵抗電機的旋轉(zhuǎn)，因此被稱為“反”EMF。對于具有固定磁通量和繞組數(shù)的給定電機，EMF 與轉(zhuǎn)子的角速度成正比。通過監(jiān)控反電動勢，經(jīng)過適當編程的微控制器可以確定定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，而無需霍爾效應傳感器。這簡化了電機結(jié)構(gòu)，降低了成本，并消除了支持傳感器所需的額外接線和電機連接，從而提高了可靠性。

 

然而，由于靜止的電機不產(chǎn)生反電動勢，控制器無法在啟動時確定電機位置。解決方案是以開環(huán)配置啟動電機，直到產(chǎn)生足夠的 EMF 供控制器確定轉(zhuǎn)子和定子位置，然后接管監(jiān)控。如果電機用于禁止反向旋轉(zhuǎn)的應用，則使用更復雜的控制機制。由上述 無感直流無刷電機的每個繞組產(chǎn)生的反電動勢顯示在圖 5 的下半部分。這與配備傳感器的類似 無感直流無刷電機的霍爾效應傳感器邏輯開關(guān)輸出進行了比較。從圖中可以看出，繞組中產(chǎn)生的電動勢的零交叉點與邏輯開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)變化一致。微控制器正是使用這種過零信息來觸發(fā)無傳感器 無感直流無刷電機換向周期的每個階段。（請參閱庫文章“通過反電動勢控制無傳感器、無感直流無刷電機”。）

設計 無感直流無刷電機

雖然涉及 無感直流無刷電機換向原理，但無需涉及 無感直流無刷電機電源和控制電路設計。市場上有大量經(jīng)過驗證的集成產(chǎn)品可用作電路的構(gòu)建塊。包含柵極驅(qū)動器或集成 MOSFET 的 BLDC 電源模塊位于電路的核心。Allegro Microsystems 的 A4915三相 MOSFET 驅(qū)動器用作 無感直流無刷電機的六功率 MOSFET 橋的預驅(qū)動器。該設備專為電池供電產(chǎn)品而設計。節(jié)能的一個顯著特點是低功耗睡眠模式，可確保設備在不轉(zhuǎn)動電機時消耗少的電流。該器件還具有同步整流功能，這是一種借鑒自開關(guān)穩(wěn)壓器的技術(shù)，用于降低功耗并消除對外部肖特基二極管的需求。Microchip還為 無感直流無刷電機的 6 功率 MOSFET 橋提供預驅(qū)動器，但這次用于汽車、家用電器和業(yè)余愛好產(chǎn)品中使用的小型無傳感器單元。所述MCP8025器件集成線性穩(wěn)壓器降壓（“巴克”）開關(guān)穩(wěn)壓電源除了外部控制器兩個低壓降（LDO）和電荷泵功率MOSFET電橋。該芯片通過測量浮動繞組的反電動勢，然后將其與電機的中性點進行比較，從而使事情變得簡單。當反電動勢越過零點時，過零檢測器向主控制器發(fā)送信號以指示換向參考點。德州儀器 (TI)的DRV8313通過集成三個獨立可控的半 H 橋驅(qū)動器，更進一步。這種安排的優(yōu)點是，除了用于三相 無感直流無刷電機控制外，該芯片還可用于驅(qū)動機械換向電機（使用兩個半 H 橋）或三個獨立的螺線管。該芯片可通過 8 至 60 V 電源提供高達 3.5 A 的電流。DRV8313 不包括傳感器輸入。TI 建議，對于有傳感器或無傳感器操作，芯片應與微控制器（如流行的MSP430 ）搭配使用。這種布置為有傳感器的三相 無感直流無刷電機提供了完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

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