三相BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用及設(shè)計探討

如今，工程師將電機(jī)控制系統(tǒng)用于數(shù)字與模擬技術(shù)來應(yīng)對過去面臨的挑戰(zhàn)，包括電機(jī)速度控制、旋轉(zhuǎn)方向、漂移及電機(jī)疲勞等。微控制器 (MCU) 的應(yīng)用為當(dāng)代工程師提供了動態(tài)控制電機(jī)動作的機(jī)會，從而使其能夠應(yīng)對環(huán)境壓力和狀況。這有助于延長操作壽命并減少維修，從而降低成本。

目前，電機(jī)制造商傾向于制造三相BLDC電機(jī)。原因在于BLDC電機(jī)不直接接觸換向器和電氣終端(有刷電機(jī)直接接觸)，因而不僅可降低功耗增加扭矩，同時還可延長操作時間。遺憾的是，與有刷直流或交流電機(jī)相比，三相電機(jī)控制裝置更加復(fù)雜。此外，數(shù)字與模擬組件之間的關(guān)系變得非常重要。

本文將簡要探討在三相BLDC電機(jī)應(yīng)用中使用模擬組件和微控制器時應(yīng)考慮的問題。同時還將重點介紹適合在直流電壓從12V到300V不等的電源下驅(qū)動微控制器的電源管理裝置及功率電平位移器。

1 對BLDC電機(jī)的需求的來源

近來，設(shè)計師更喜歡使用高效的BLDC電機(jī)。這種趨勢適用于眾多市場和各種應(yīng)用。目前，許多應(yīng)用能夠或已經(jīng)使用BLDC電機(jī)替代過時的交流電機(jī)或機(jī)械泵技術(shù)。使用BLDC電機(jī)的重要優(yōu)勢包括：

●更高效(達(dá) 75%,交流電機(jī)僅為 40%)

●更少的熱量

●高耐久性(無刷型，所以無磨損)

●可在危險環(huán)境下操作更加安全(無灰塵產(chǎn)生，而有刷電機(jī)則有)。

在主要子系統(tǒng)中使用BLDC電機(jī)還可降低整個系統(tǒng)重量。由于BLDC電機(jī)完全采用電子整流，因此更易于高速地控制電機(jī)的扭矩和RPM.全球政府正應(yīng)對電網(wǎng)不足引起的有效功率不足。此外，全球許多地區(qū)必須應(yīng)對需求高峰期產(chǎn)生的電源中斷。因此，這些國家正在提供補(bǔ)貼或準(zhǔn)備發(fā)放補(bǔ)貼，以便更有效地使用BLDC電機(jī)。

2工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用

多數(shù)泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、混合器及 HVAC 需要電機(jī)驅(qū)動。歐盟已經(jīng)發(fā)布法令要求所有新的工業(yè)用具使用 BLDC 電機(jī)的三相“變頻驅(qū)動”。

圖1 空調(diào)原理框圖3 BLDC電機(jī)驅(qū)動

有幾種方法可用于驅(qū)動BLDC電機(jī)；一些基本系統(tǒng)要求如下所列：

3.1大功率晶體管

這些通常是場效應(yīng)管(MOSFET)或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，可承受高壓(滿足電機(jī)的要求)。多數(shù)家電使用的電機(jī)功率為1/2至3/4馬力(1馬力=734瓦特)。因此，典型電流能力可達(dá)到10A.對于高壓系統(tǒng)而言(通常 >350V)，可使用IGBT。

3.2MOSFET/IGBT驅(qū)動器

通常，可使用一組MOSFET/IGBT驅(qū)動器。可選擇“半橋”驅(qū)動器或三相驅(qū)動器。這些解決方案能夠操作的電壓必須為電機(jī)電壓的兩倍，以應(yīng)對電機(jī)產(chǎn)生的逆電動勢 (EMF)。此外，這些裝置需要通過設(shè)置時間和切換控制提供功率晶體管保護(hù)，從而確保底部晶體管打開之前關(guān)掉頂部晶體管。

3.3反饋元件/控制

設(shè)計師應(yīng)在所有伺服控制系統(tǒng)中設(shè)置一些“反饋元件”。例如光學(xué)傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器、轉(zhuǎn)速計及最簡單的“EMF傳感”。各種反饋方法都非常有用，主要取決于所需精確度及所需RPM和扭矩。許多消費(fèi)者電器通常使用反電動勢傳感的無傳感器技術(shù)。

3.4模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

在許多情況下，需要設(shè)置模擬數(shù)字裝置，以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而將數(shù)字信號發(fā)送至系統(tǒng)MCU.