无刷直流电机扩大覆盖面,迎接新的挑战

历史上,从直流电源驱动电机的唯一方法是使用通常由石墨制成的“电刷”在转子转动时将电力传导到转子上的触点。这些电刷整流(即颠倒了电流的表观极性),尽管使用直流电而不是交流波形,仍然保持电机转动。因此,电动机成为将施加的直流变为交流波形的开关控制。
这项技术当然在数十亿台电机中起作用,从小到大,但也有不可避免的缺点:
  • 刷子由于机械接触而磨损,因此必须定期更换。
  • 电刷和触点之间的接通/断开/接通电流是电磁干扰(EMI)的一个重要来源(如果您查看大多数有刷电机的通风孔,则会看到火花),而且在爆炸性环境中也是一个问题,电机需要。
  • 由于用户所具有的主要控制参数是施加了电压值,所以除了电动机的基本开/关控制之外,诸如速度或转矩控制之类的任何事情都是困难的,如果不是不可能的话。
  • 除了使用较低摩擦的轴承,不同的绕组结构以及精心的机械设计之外,效率很低且难以提高。
有刷电机控制的限制导致需要更好的方式来控制直流电机。基于不同的物理结构和控制的无刷直流(BLDC)电机提供了答案。
在大多数BLDC设计中,电机转子周围都有永久磁铁。固定的电磁线圈围绕电机的非旋转部分放置; 通常使用三个线圈。通过对流过这些线圈的电流进行电子控制/换向,它们的磁场被切换,从而导致电机电枢旋转。实际上,电子换向将直流电源转换为交流电压; 这不是交流线路电压,而是交流电压。
该BLDC电机是由可能的,因为技术进步的组合:
  • 高强度永磁体的可用性。
  • 开发可处理大量电流和电压(主要是MOSFET)的高效率,低损耗,快速开启/关闭器件,可用作线圈电流的电子开关。
  • 高性能微控制器可以实现控制电流开关MOSFET所需的软件和算法。
BLDC电机比同等功率的直流电机效率更高,转子更轻,因为重量更轻意味着加速更快。更重要的是,电机的性能可以根据应用而定制,因为固件控制换向,而不是电机自身的旋转。用户可以选择强调电机位置,精度,速度,加速度,扭矩,效率或其他参数,并根据其优先级,在所有这些参数之间交换不同的平衡,全部使用相同的物理电机。
BLDC电机的优点和相关的可控性,为给定应用带来最佳性能,产生了一个有趣的效果:以前使用线路供电的交流电机和交流驱动控制器的许多应用现在都使用BLDC电机。输入线路的交流电源先转换为直流电,当然可以使用直流无刷电机。


传感器与无传感器设计

BLDC电机操作中的一个问题是控制器如何知道转子​​的位置,以及何时切换线圈以实现期望的位置,速度或加速度的运动轮廓。显而易见的方法是在轴上使用传感器或编码器作为反馈传感器。根据类型,这些编码器可以向控制器提供相对或绝对的位置信息。许多编码器都是可用的,包括基于磁性线圈旋转变压器,光学,电容和霍尔效应原理的编码器,每种编码器都提供成本,耐用性和分辨率的折衷。
近年来,无传感器BLDC电机控制的使用也在增加。在这种拓扑结构中,电机驱动线圈的反电动势由控制器感测,并且可以用来推断转子位置。与现场控制(有时称为“ 矢量控制”)等技术结合使用时,这种方法可以很好地工作,特别是在不需要最高精度的应用中,如家用电器或车窗电机。但是,如果没有分立的传感器来提供转子信息,那么无传感器的方法在低速或者没有反电动势的情况下效果不好。该方法还需要更强大的处理器,因为推断的反馈的计算可能是复杂的并且必须实时执行。另一方面,它节省了编码器的成本,这与更强大的处理器的成本相比可能是相当大的。
无传感器BLDC电机的一个重要变体是步进电机。主要要求精确定位时使用步进器,速度或机械功率大于; 它们通常比较小,用于移动打印头或推进纸张等任务。步进电机是无刷直流电机的设计,但转子周围有许多电磁极,它本身具有永磁体的齿形排列。
通过使微控制器顺序地激励适当的极点,可以将磁心快速且清脆地步进到所需的角度位置,而不会过冲。不需要机械制动。步进电机通常根据设计具有约1°的角分辨率,但是有方法将其引导至“微步”并且实现更精细的角分辨率而不增加更多的极点。步进电机也可以通过电磁控制来主动地保持所需的位置,尽管有外力,直到规定的力限制。步进电机有轻型转子,因此它们可以加速和快速移动,也没有动力从它们的质量,将他们带过去的期望的停止点。


控制BLDC线圈

在控制流向BLDC线圈的电流的路径中有三个不同的元素:为电机控制产生PWM信号的微控制器,电源开关的栅极驱动器,以及几乎总是MOSFET的开关本身。对于非常小的电机,有可能获得内置栅极驱动器的微控制器,甚至还有一些带有集成MOSFET的微控制器。然而,在大多数情况下,BLDC电机需要外部分立驱动器和MOSFET。
MOSFET最常见的连接配置是与双极性电源一起使用的H桥或全桥(图1)。通过打开位于对角的MOSFET对,使用晶体管对1和3或对2和4,线圈在一个方向或另一个方向上通电,因此电机可以反转。请注意,在传统的H桥中,电机本身通常不接地,所以MOSFET驱动器可能需要与微控制器电隔离,微控制器通常使用脉冲变压器或光耦合器。
高压无刷直流电机图1
图1

图1:基本H桥使用四个开关阵列来控制流向负载的电流,通常来自双极性电源; 当晶体管1和3导通时,电机线圈单向通电; 在晶体管2和4导通的情况下,线圈极性和旋转方向相反。
BLDC电机线圈可以以各种机械布置来定位以实现不同的性能属性。选择合适的MOSFET是一个复杂的课题,取决于额定电压,额定电流,开关速度,效率,损耗等诸多因素。MOSFET驱动器必须与MOSFET的尺寸和特性适当匹配。
由于大量的BLDC电机应用,供应商提供了许多合适的和集中的控制器IC。赛普拉斯半导体的PSoC 3就是一个例子(图2)。请注意PSoC内部功能块的复杂性和复杂性,但这些IC的成本较低,BLDC电机的优势值得。(另请注意,由于赛普拉斯专注于PSoC,H桥驱动器,H桥本身以及电机都没有详细显示。)
高压无刷直流电机图2
图2

图2:赛普拉斯半导体的PSoC 3微控制器非常适合无传感器BLDC电机控制,因为它包含除MOSFET驱动器和MOSFET之外的所有功能模块。(来源:赛普拉斯)
对于微控制器的PWM信号与电桥MOSFET之间的接口,需要一个IC,如Microchip Technology的MCP8024三相BLDC功率模块(图3)可以使用。它的内部复杂性通过处理需要附加电路的细节来简化接口任务。该IC集成了许多功能:3个用于外部高端/低端MOSFET的12 V / 0.5 A半桥驱动器,一个比较器,为配套微控制器提供偏置的电压调节器,电源监控比较器,过温度传感器,两个电平转换器和三个用于电机相电流监测和位置检测的运算放大器等。此外,这些驱动器具有直通,过流,欠压和过压锁定以及短路保护等所有电机驱动应用中的基本特性。尽管具有高水平的功能和特性,但其体积小巧,采用40引脚5×5 mm QFN封装和48引脚7×7 mm TQFP封装。
高压无刷直流电机图3

图3

图3: Microchip Technology的MCP8204三相BLDC功率模块提供了单片机与BLDC电机MOSFET之间的完整接口,除了支持基本的电机驱动功能之外,它还具有关键的监视和保护功能,否则将需要大量的外部分立电路。(来源:Microchip Technology)
无刷直流电机是多功能,高效,高度可控的旋转运动源,从亚瓦到千瓦的功率范围。由于MOSFET,MOSFET驱动器,处理器和高能量磁体的进步,它通常是旧式有刷直流电机技术的上乘之选。其技术也是步进电机的基础,广泛用于精确定位的角度。

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