无刷直流电动机控制介绍

无刷直流(BLDC)马达正在成为行业,如汽车(特别是电动车辆(EV)),HVAC,白色家电及工业因为它摒弃了传统的电动机中使用的机械换向器日益流行,与电子装置取代它这提高了设备​​的可靠性和耐用性。

BLDC电机的另一个优点是,它可以做得比具有相同功率输出的电刷更小更轻,这使得前者适用于空间紧张的应用。

缺点是BLDC电机确实需要电子管理来运行。例如,需要一个微控制器 - 使用来自传感器的指示转子位置的输入 - 在正确的时刻激励定子线圈。精确的时序允许精确的速度和转矩控制,并确保电机以最高效率运行。

本文解释了BLDC电机操作的基本原理,并介绍了三相单元操作的典型控制电路。本文还考虑了一些集成模块 - 设计人员可以选择这些模块以简化电路设计 - 这是专门为BLDC电机控制而设计的。

无刷操作的优点

传统电机的电刷向转子绕组传输功率,当通电时,转入固定磁场。静止的刷子与旋转转子上的旋转金属触点之间的摩擦会导致磨损。另外,由于电刷与金属接触不良和电弧放电,可能会损失电力。

由于BLDC电机无需使用电刷,而是使用“电子换向器” - 通过消除这种磨损和功率损耗,电机的可靠性和效率得到了提高。此外,无刷直流电机与有刷直流电机和感应电机相比具有更多的优点,包括更好的速度与扭矩特性; 更快的动态响应; 无声操作; 和更高的速度范围。1 

此外,相对于电机尺寸而言,所提供的扭矩比率更高,使其成为诸如洗衣机和电动汽车等应用的理想选择,因为这些应用需要高功率,但紧凑和轻便是关键因素。(但是,应该注意的是,电刷式直流电机确实具有较高的启动转矩。)

由于定子和转子产生的磁场以相同的频率旋转,所以BLDC电机被称为“同步”类型。这种安排的一个好处是BLDC电机不会遇到感应电机典型的“滑动”现象。

虽然电机可以采用单相,双相或三相型,但后者是最常见的类型,并且将在此讨论。

BLDC电机的定子包括钢叠片,轴向开槽以容纳沿着内周缘的偶数个绕组(图1)。虽然BLDC电机定子类似于感应电机,但绕组分布不同。

Microchip BLDC电机

图1:BLDC电机的定子,显示带轴向绕组的开槽钢环。(由Microchip提供)

转子由永磁体和2至8个NS极对构成。更多的磁体增加扭矩并平滑掉所谓的扭矩波动,从而减少电机的功率输出。缺点是更复杂的控制系统,成本增加和最大速度降低。

传统上,铁氧体磁体被用来制造永磁体,但当代单位倾向于使用稀土磁体。虽然这些磁体更昂贵,但它们会产生更大的磁通密度,从而允许转子在给定的转矩下变小。这些强大的磁铁的使用是BLDC电机比相同尺寸的电刷式直流电机提供更高功率的关键原因。

有关BLDC电机结构和操作的详细信息可以在Microchip Technology发布的有趣的应用指南(AN885)中找到2工作 

原理

BLDC电机的电子换向器会依次激励定子线圈,产生一个旋转电场,使转子与其“拖曳”。N“电气旋转”相当于一次机械旋转,其中N是磁铁对的数量。

对于三相电机,定子中嵌入了三个霍尔效应传感器,用于指示定子和转子与控制器的相对位置,以便它能以正确的顺序和正确的时间为绕组通电。霍尔传感器通常安装在设备的非驱动端(图2)。

Microchip霍尔传感器

图2:霍尔传感器嵌入BLDC电机的定子中以确定绕组通电顺序。(由Microchip提供)

当转子磁极通过霍尔传感器时,会产生高电平(对于一个极)或低电平(对于相反极)信号。如下面详细讨论的,可以通过组合来自三个传感器的信号来确定换向的确切顺序。

由于绕组通过相关磁场的移动,所有的电动机产生电压电势。这种电势被称为电动势(EMF),根据楞次定律,它会在绕组中产生一个磁场的电流,以抵抗原始磁通量的变化。简单地说,这意味着EMF倾向于抵抗电机的旋转,因此被称为“反向”电动势。对于固定磁通量和绕组数量的给定电动机,EMF与转子的角速度成比例。

但是反电动势在为电动机添加一些“阻力”的情况下可以用于获得优势。通过监测反电动势,微控制器可以确定定子和转子的相对位置,而不需要霍尔效应传感器。这简化了电机结构,降低了成本,并且消除了为支持传感器而需要的附加接线和电机连接。当污垢和湿度存在时,这可以提高可靠性。

但是,固定电机不产生反电动势,使得微控制器无法在启动时确定电机部件的位置。解决方案是以开环配置启动电机,直到产生足够的EMF以使微控制器接管电机监控。这些所谓的“无传感器”BLDC电机越来越受欢迎。

控制BLDC电机

尽管BLDC电机在机械上相对简单,但它们确实需要复杂的控制电子元件和稳压电源。设计师面临着处理需要精确控制以高效运行的三相高功率系统的挑战。

图3显示了驱动带霍尔效应传感器的BLDC电机的典型布局。(使用反电动势测量的无传感器BLDC电机的控制将在以后的文章中介绍。)该系统显示电机的三个线圈以“Y”形排列,Microchip PIC18F2431微控制器,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动器和包含六个IGBT(金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的三相逆变器也可以用于高功率开关)。微控制器的输出(由IGBT驱动器镜像)包括脉冲宽度调制(PWM)信号,该信号确定线圈的平均电压和平均电流(从而确定电机速度和转矩)。电机使用三个霍尔效应传感器(A,B和C)来指示转子位置。转子本身使用两对永磁体来产生磁通量。

Microchip BDLC电源控制系统

图3:使用8位微控制器的BDLC电源控制系统。(由Microchip提供。)

系统在每次电气回转中采用六步换向序列。由于电机有两对磁铁,因此需要进行两次电气旋转来旋转电机一次。

图4显示了图6中与电机相同布置的电流(这段时间被标记为U,V和W),这六个步骤中的每一个都有电流流动,图5显示了随后的霍尔效应传感器输出和线圈电压。

Atmel线圈激励序列

图4:三相BLDC电机的一次电气回转的线圈通电顺序。(由Atmel提供。)

爱特梅尔激励线圈

图5:霍尔效应传感器的状态决定了线圈何时以及如何通电。一对霍尔效应传感器连接到每个线圈。(由Atmel提供)

一对霍尔效应传感器决定了单片机何时激励线圈。在这个例子中,传感器H1和H2确定线圈U的切换。当H2检测到N个磁极时,线圈U被正向通电; 当H1检测到一个N磁极时,线圈U被打开; 当H2检测到S磁极线圈U被切换为负时,最后,当H1检测到S磁极时,线圈U再次打开。类似地,传感器H2和H3确定线圈V的激励,H1和H3照射线圈W.

在每一步中,两相通过一相给料电流流向电动机,另一相提供电流返回路径。另一个阶段是开放的。微控制器控制三相逆变器中的哪两个开关必须闭合,以对两个有源线圈进行正向或负向通电。例如,图3中的开关Q1正向激励线圈A,开关Q2负向激励线圈B以提供返回路径。线圈C保持打开状态。

在设计全尺寸电机之前,设计人员可以尝试使用基于8位微控制器的开发套件来尝试控制机制。例如,Atmel公司已经生产的廉价的起始试剂盒,所述ATAVRMC323基于所述,用于BLDC电机控制ATxmega128A18位微控制器。4其他几家供应商也提供类似的工具包。

驱动BLDC电机

虽然联接到三相逆变器的8位微控制器是一个很好的开始,但对于一个完整的BLDC电机控制系统来说是不够的。要完成这项工作,需要使用稳压电源来驱动IGBT或MOSFET(图3所示的“IGBT驱动器”)。幸运的是,这项工作变得更加容易,因为几家主要的半导体供应商专门为这项工作设计了集成驱动芯片。

这些器件通常包括降压(“降压”)转换器(为微控制器和其他系统电源要求供电),门驱动器控制和故障处理,以及一些定时和控制逻辑。DRV8301从三相预驱动器德州仪器就是一个很好的例子(图6)。

德州仪器的DRV8301电机驱动器

图6:德州仪器的DRV8301电机驱动器在单个封装中集成了降压型稳压器,栅极驱动器和控制逻辑。

该预驱动器支持高达2.3 A的灌电流和1.7 A的源峰值电流能力,并且需要一个输入电压为8至60 V的单电源。该器件在高端或低端IGBT或MOSFET正在切换以防止电流通过。

安森美半导体提供类似的芯片LB11696V在这种情况下,可以通过在输出电路中增加分立晶体管来实现具有所需输出功率(电压和电流)的电机驱动器电路。该芯片还提供了完整的保护电路,使其适用于必须具有高可靠性的应用。该设备专为大型BLDC电机而设计,如用于空调和按需热水器的电机。

综上所述

BLDC电机与传统电机相比具有许多优点。从电机上拆下电刷可消除机械零件,否则会降低效率,磨损或可能导致灾难性故障。此外,强大的稀土磁体的开发已经允许生产BLDC电机,其能够在装配到较小空间​​时产生与刷式电机相同的功率。

一种被认为的缺点是,与电刷类型不同,BLDC电机需要电子系统来监控线圈的激励顺序并提供其他控制功能。没有电子设备,电机将无法运行。

然而,专门为电机控制而设计的便宜,坚固的电子设备的普及意味着设计电路相对简单且便宜。实际上,通过采用适度的三相正弦波或方波发生器,无需使用微控制器即可将BLDC电机设置为基本配置。例如,飞兆半导体公司为其应用提供FCM8201芯片,并发布了关于如何设置的应用笔记。5 

同样,安森美半导体的MC33033 BLDC电机控制器在芯片上集成了转子位置解码器,因此无需微控制器来完成系统。该器件可用于控制三相或四相BLDC电机。

然而,使用8位微控制器(使用工厂提供的代码或开发人员自己的软件进行编程)可以为控制系统增加很少的成本,同时为用户提供更大的电机控制,以确保其以最佳效率运行提供更精确的位置,速度或扭矩输出。

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