基于三相BLDC電機控制系統(tǒng)的設計探討

0 引言

如今，工程師將電機控制系統(tǒng)用于數(shù)字與模擬技術來應對過去面臨的挑戰(zhàn)，包括電機速度控制、旋轉方向、漂移及電機疲勞等。微控制器 (MCU) 的應用為當代工程師提供了動態(tài)控制電機動作的機會，從而使其能夠應對環(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，電機制造商傾向于制造三相BLDC電機。原因在于BLDC電機不直接接觸換向器和電氣終端(有刷電機直接接觸)，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相比，三相電機控制裝置更加復雜。此外，數(shù)字與模擬組件之間的關系變得非常重要。

本文將簡要探討在三相BLDC電機應用中使用模擬組件和微控制器時應考慮的問題。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電機的需求的來源

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

●更高效(達 75%,交流電機僅為 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，而有刷電機則有)。

在主要子系統(tǒng)中使用BLDC電機還可降低整個系統(tǒng)重量。由于BLDC電機完全采用電子整流，因此更易于高速地控制電機的扭矩和RPM.全球政府正應對電網(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貼或準備發(fā)放補貼，以便更有效地使用BLDC電機。

表1 無刷直流電機的優(yōu)勢

2 戰(zhàn)略細分市場和應用

2.1汽車

汽車市場中包含許多機械和液壓泵/移動控制裝置被替換的實例。具體應用包括燃油泵、動力轉向、座椅控制、汽車HVAC(暖通空調)頂窗運動及擋風玻璃的刮水電機等。據(jù)計算，轉換為BLDC電機后，可為每項上述功能節(jié)省約每加侖汽油多行駛一英里的能源。這需歸功于顯著的燃料節(jié)省及功率效率。

圖1 車窗玻璃升降器原理框圖

2.2家電

家電市場中一些家電可得益于使用高效的BLDC電機。其中包括泵、風機、空調、攪拌器、手動工具及其它廚房用具。

圖2 攪拌器電機控制原理框圖

2.3工業(yè)系統(tǒng)

多數(shù)泵、風機、空調、混合器及 HVAC 需要電機驅動。歐盟已經(jīng)發(fā)布法令要求所有新的工業(yè)用具使用 BLDC 電機的三相“變頻驅動”.

圖3 空調原理框圖

2.4大型家電

使用高效 BLDC 電機可減少許多洗衣機和干衣機的用電量。

圖4 洗衣機電機原理圖

表2 無刷直流電機驅動的關鍵區(qū)

3 BLDC電機驅動

有幾種方法可用于驅動BLDC電機;一些基本系統(tǒng)要求如下所列：

3.1大功率晶體管

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

3.2MOSFET/IGBT驅動器

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

3.3反饋元件/控制

設計師應在所有伺服控制系統(tǒng)中設置一些“反饋元件”.例如光學傳感器、霍爾效應傳感器、轉速計及最簡單的“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。許多消費者電器通常使用反電動勢傳感的無傳感器技術。

3.4模擬數(shù)字轉換器

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

3.5MCU 微控制器

所有閉環(huán)控制系統(tǒng)(BLDC電機幾乎一直屬于此群組)均需要MCU,以實現(xiàn)伺服回路控制、計算、糾正、PID控制機傳感器管理。這些數(shù)字控制器通常為16位，但是復雜性較低的應用可使用8位控制器。

3.6模擬功率/調節(jié)器/基準

除了上述組件以外，許多系統(tǒng)還包括輔助電源、電壓轉換及其他模擬設備，如管理器、LDO、直流/直流及運算放大器。

圖5 24V無刷直流電機控制的典型原理框圖

4 麥瑞公司電機驅動器的優(yōu)勢

4.1功率驅動器

麥瑞公司擁有適合業(yè)界應用的各種類型MOSFET/IGBT驅動器。主要參數(shù)包括： 快速脈沖延遲、閘電荷/控制的高峰值電流及工作電壓達85V.例如，麥瑞 MIC4604系列可承受的逆電動勢電機電壓達85V.

4.2電壓基準與管理器

麥瑞可提供一系列對操作MCU至關重要的裝置。實例包括： MIC811、MIC2775及MIC1232電壓管理器電路。

4.3運算放大器/比較儀

麥瑞擁有一系列低功率運算放大器與比較儀。這些裝置對于確保精確的伺服系統(tǒng)反饋控制至關重要。實例包括： MIC6270、MIC841N及MIC833.

4.4LDO

麥瑞可提供行業(yè)中最廣泛應用的LDO,包括快速瞬態(tài)LDO、低輸入LDO、最低釋放LDO及高強度電流LDO.實例包括： MIC49150、MIC29150、MIC5235及MIC5283.

4.5直流/直流(DC/DC)開關穩(wěn)壓器

麥瑞也可提供大量高效直流/直流變流器。這些可用于輔助電源，包括MIC2605增壓和MIC4682降壓(步降)開關穩(wěn)壓器。

5 三相無刷直流電機的基本操作原理

無刷直流(BLDC)電機為同步電機，轉子和線圈繞組中設有永久磁鐵。它們可在電機定子上產(chǎn)生電磁(參見圖5)。電氣端子直接連接至定子繞組;因此，轉子上未連接刷子或機械裝置(如有刷電機)。BLDC電機使用直流電源和開關電路，在定子繞組上產(chǎn)生雙向電流。開關電路必須在每個繞組中使用一個高端開關和低端開關，因此一個BLDC電機共使用6個開關。

現(xiàn)代電機設計采用固態(tài)開關，如MOSFET或IGBT,這取決于與繼電器相比時電機的速率和電壓。此外，還必須考慮成本、可靠性和尺寸(參見圖6)。開關電流產(chǎn)生適當?shù)拇艌鰳O性，可吸引相反極性，排斥相同極性。從而產(chǎn)生磁力，促使轉子旋轉。將永久磁鐵用于轉子可為設計師提供機械利益;并可減小尺寸，降低重量。與有刷電機和感應電機相比，BLDC電機的熱特性更優(yōu)，因而成為掀起機械系統(tǒng)節(jié)能新浪潮的理想選擇。

圖6 BLDC電機截面

BLDC通常使用三個相位(繞組)，每個相位具有120度的導通間隔(參見圖7)。

圖7 六步換向

由于為雙向電流，每個相位按照每個導通間隔有兩個步驟。這是一種鍍錫六步換向。例如，換向相序可為AB-AC-BC-BA-CA-CB.每個導電階段標記一個步驟，任何時候只能由兩個繞組導通電流，第三個繞組懸空。未勵磁繞組可用作反饋控制，構成無傳感器控制算法特征的基礎。

為了保持在轉子之前的定子內部的磁場，并產(chǎn)生最佳扭矩，必須在精確的轉子位置完成從一個扇形區(qū)到另一個的過渡。通過每 60 度轉向的開關電路獲得最大扭矩。所有開關控制算法均包含在MCU中。微控制器可通過MOSFET驅動器控制開關電路。MOSFET驅動器包含適當響應時間(如 維持延遲及上升和下降時間)和驅動能力(包括轉換MOSFET/IGBT “開”或“關”狀態(tài)所需的門驅動電壓和電流同步)。

轉子位置對于確定電機繞組換向所需的正確力矩非常重要。在精度要求較高的應用中，可使用霍爾傳感器或轉速計計算轉子的位置速度和轉矩。在首要考慮成本的應用中，逆電動勢 (EMF) 可用于計算位置、速度和轉矩。

逆電動勢是指永久磁鐵在定子繞組中產(chǎn)生的電壓。電機轉子旋轉時會出現(xiàn)這種情況。共有三個可用于控制和反饋信號的主要逆電動勢特征。第一，適用于電機速度的逆電動勢等級。因此，設計師使用工作電壓至少為標準電壓的2倍的MOSFET驅動器。第二，逆電動勢信號的斜率隨速度增加而增加。第三亦即最后者，如圖8所示的“交叉事件”中逆電動勢信號是對稱的。精確檢測交叉事件是執(zhí)行逆電動勢算法的關鍵。逆電動勢模擬信號可使用高壓運算放大器和模擬數(shù)字轉換器(廣泛應用于最現(xiàn)代的微控制器)按每個混合信號電路轉化至MCU.每個至少需要一個ADC.

圖8 交叉事件

使用無傳感器控制時，啟用順序至關重要，這是由于MCU最初不確定轉子的初始位置。首先啟動電機，激勵兩個繞組，同時從逆電動勢反饋回路進行幾次測量，直到確定了精確位置。

通?？墒褂镁哂蠱UC的閉環(huán)控制系統(tǒng)操作BLDC電機。MCU可執(zhí)行伺服回路控制、計算、糾正、PID控制及傳感器管理(如逆電動勢、霍爾傳感器或轉速計)(參見圖9)。這些數(shù)字控制器通常為8位或更高，需要EEPROM儲存固件，從而獲得設置所需電機速度、方向及維持電機穩(wěn)定性所需的算法。通常，MCU 可提供允許無傳感器電機控制構架的ADC.該構架可節(jié)省寶貴成本和電路板空間。MCU兼具較強可構造性和靈活性，可滿足優(yōu)化應用算法之所需。模擬IC可為MUC提供高效電源、電壓調整、電壓基準，能夠驅動MOSFET或IGBT及故障保護。采用這兩種技術均可高效地操作三項BLDC電機，且與感應電機和有刷電機價格相當。

圖9 閉環(huán)控制

6 結論

通過在關鍵任務子系統(tǒng)中使用 BLDC 電機，可減少重量。這意味著在車輛中應用節(jié)約更多燃油。由于 BLDC 電機完全采用電子整流，因此更易于高速地控制電機的扭矩和 RPM.全球許多國家面臨著電網(wǎng)不足引起的有效功率不足?？梢钥隙ǖ氖?，為了更有效地使用 BLDC 電機，少數(shù)國家正在提供補貼或正準備提供補貼。BLDC 部署是在避免對我們的生活方式造成不利影響的前提下促進綠色環(huán)保，節(jié)約全球寶貴資源的趨勢之一。