無刷電機控制及電機供電方法
來源：深圳市鑫海文科技有限公司|發布時間：2019-05-29 19:23
無刷電機控制和供電方法，相信很多朋友都不了解，甚至不太清楚無刷電機的控制方法。今天就和大家介紹一下無刷電機控制及電機供電方法。
無刷（BLDC）電機越來越受歡迎是由于使用電子換向。這取代了由在換向器上摩擦的電刷組成的傳統機械裝置，以激勵直流電動機電樞中的繞組。電子換向提供了比傳統直流電機更高的效率，對于以相同速度和負載運行的電機，電子換向提高了20％至30％。正如國際能源機構報告的那樣，全球40％的電力用于為電動機提供動力，這種效率提升變得引人注目。此外，直流無刷電機更耐用。它保持了高性能，而等效傳統電機的效率和功率因磨損而下降，導致電刷接觸不良，電刷和換向器之間的電弧消耗能量，以及污垢導致電導率下降。更高的效率使直流無刷電機在給定的功率輸出下更小，更輕，更安靜，進一步提高了它們在汽車等行業的知名度; 白色家電; 和暖氣，通風和空調（HVAC）。直流無刷電機的其他優點包括出色的速度與扭矩特性（啟動時的扭矩除外），更動態的響應，無噪音操作和更高的速度范圍。
直流無刷電機的缺點是它們的復雜性和相關的成本增加。電子換向需要監控電路，以確保線圈通電的精確定時，以實現精確的速度和轉矩控制，并確保電機以最高效率運行。幸運的是，該部門正在迅速成熟，硅供應商現在提供各種高度集成的直流無刷電機驅動器功率MOSFET芯片，其外部或嵌入式微控制器可簡化設計流程，同時還可降低組件成本。本文將解釋設計人員如何利用這些最新芯片來簡化設計過程
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，都遵循將電能轉換成機械能的相同基本方法。通過繞組的電流產生磁場，該磁場在存在第二磁場（通常由永磁體引發）的情況下在該繞組上產生力，當其導體與第二場成90°時達到最大值。增加線圈數量可提高電機輸出并平滑功率輸出。（單片電源系統公司（MPS）已經制作了一份應用筆記（參見參考文獻1），它很好地總結了電機的基本概念。）
直流無刷電機通過反轉電機設置克服了對機械換向器的要求。繞組成為定子，永磁體成為轉子的一部分。定子通常由鋼疊片組成，軸向開槽以沿其內周邊容納偶數個繞組。轉子由一個軸和一個帶有永磁體的輪轂組成，永磁體設置成形成兩到八個極對，它們在'N'和'S'之間交替。圖1示出了共同磁體布置的一個示例，在這種情況下，兩個磁體對直接結合到轉子轂。
圖1：在直流無刷電機中，永磁體連接到轉子上。典型配置包括在'N'和'S'極之間交替的2到8對。（禮貌：MPS）
由于繞組是靜止的，因此可以建立永久連接以激勵它們。為了使固定繞組移動永磁體，繞組需要以受控的順序通電（或換向）以產生旋轉磁場。由于定子產生的旋轉磁場使轉子以相同的頻率旋轉，因此BLDC電動機被稱為“同步”型。直流無刷電機可以是單相，兩相或三相。三相直流無刷電機是最常見的，將成為本文其余部分的主題。
直流無刷電機控制方法
到目前為止，順序向三相直流無刷電機施加電流的最常見配置是使用以橋接結構排列的三對功率MOSFET，如圖2所示。每對控制電機一相的開關。在典型的布置中，使用脈沖寬度調制（PWM）來控制高側MOSFET，其將輸入DC電壓轉換為調制的驅動電壓。PWM的使用允許限制啟動電流并提供對速度和扭矩的精確控制。PWM頻率是高頻時發生的開關損耗與低頻時出現的紋波電流之間的折衷，在極端情況下會損壞電機。通常，設計人員使用的PWM頻率至少比最大電機轉速高一個數量級。
圖2：三相直流無刷電機通常由三對MOSFET組成，這些MOSFET以橋式結構排列并由PWM控制。PWM可精確控制電機的速度和扭矩。（使用Digi-Key Scheme-it®繪制的圖表）
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（在下面的例子中描述）是最簡單的。在每一步中，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”換向導致扭矩“波動”，特別是在低速時。正弦控制更復雜，但它減少了扭矩波動。在該控制方案期間，所有三個線圈保持通電，其中每個線圈中的驅動電流彼此正弦變化120°。與梯形技術相比，結果是更平穩的功率輸送。磁場定向控制依賴于測量和調整定子電流，使轉子和定子磁通之間的角度始終為90°。與其他所有技術相比，該技術在高速下比正弦方法更有效，并且在動態負載變化期間提供更好的性能。幾乎沒有扭矩波動，可以在低速和高速下實現更平穩，精確的電機控制。
本文將其余的技術討論限制為梯形技術。
在采用梯形控制方案的電動機中，MOSFET橋式開關必須以精確定義的順序發生，以使BLDC電動機有效運行。切換順序由轉子磁鐵對和定子繞組的相對位置決定。三相直流無刷電機需要六步換向序列才能完成一個電氣循環。每個電循環的機械轉數由轉子上的磁鐵對數決定。例如，將需要兩個電循環來機械旋轉由兩對磁體組成的轉子一圈。
兩種技術為位置反饋提供了解決方案。第一種也是最常見的是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”控制技術專為需要最少電氣連接的直流無刷電機而設計。在配備傳感器的直流無刷電機中，每個霍爾效應傳感器與一個開關組合，產生邏輯“高”（對于一個磁極）或“低”（對于相反極）信號。通過組合來自霍爾效應傳感器和相關開關的邏輯信號來確定換向序列。在任何時候，至少一個傳感器由轉子的一個磁極觸發并產生電壓脈沖。
圖3示出了逆時針驅動的三相直流無刷電機的換向序列。霍爾效應傳感器安裝在“a”，“b”和“c”位置。對于換向序列中的每個步驟，一個繞組（“U”，“V”或“W”）由MOSFET橋驅動為高電平，而一個繞組驅動為低電平而第三個繞組懸空。例如，在圖的左上方，U為高（形成N極），V為低（S）且W為浮動。由此產生的磁場使轉子逆時針移動，因為其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切換到浮動狀態，W切換為低電平，從而保持磁場的“旋轉”并隨之移動轉子。剩余的換向步驟，一個電氣循環，
電子換向序列圖
圖3：使用MOSFET橋和霍爾效應傳感器的三相直流無刷電機的電子換向序列。在這種情況下，轉子逆時針驅動，霍爾效應傳感器（'a'，'b'和'c'）以60°間隔安裝。（禮貌：MPS）
圖4顯示了相位繞組相對于上面圖3所示的逆時針旋轉電機的霍爾效應傳感器信號的狀態。
霍爾效應傳感器邏輯開關輸出和繞組狀態時序圖
圖4：霍爾效應傳感器邏輯開關輸出和繞組狀態時序圖，用于逆時針驅動的三相直流無刷電機。注意至少一個邏輯開關和繞組每60°改變一次狀態。（禮貌：MPS）
無傳感器BLDC電動機利用電動勢（EMF），其產生任何DC電動機的繞組中的電流，其具有與Lenz定律所述的磁通量的原始變化相反的磁場。EMF傾向于抵抗電動機的旋轉，因此被稱為“后”EMF。對于給定的固定磁通量和繞組數量的電動機，EMF與轉子的角速度成比例。
通過監控反電動勢，適當編程的微控制器可以確定定子和轉子的相對位置，而無需霍爾效應傳感器。這簡化了電動機結構，降低了成本，并且消除了額外的布線和與電動機的連接，否則將需要支撐傳感器，從而提高可靠性。
但是，由于靜止電機不產生反電動勢，控制器無法確定啟動時的電機位置。解決方案是以開環配置啟動電機，直到為控制器產生足夠的EMF以確定轉子和定子位置，然后接管監控。如果電動機用于禁止反向旋轉的應用中，則使用更復雜的控制方案。
上面描述的直流無刷電機的每個繞組產生的反電動勢顯示在圖5的下半部分中。這與用于配備有傳感器的類似直流無刷電機的霍爾效應傳感器邏輯開關輸出進行比較。從圖中可以看出，繞組中產生的EMF的過零點與邏輯開關的開關狀態變化一致。正是這種過零信息，微控制器用于觸發無傳感器直流無刷電機中換向周期的每個階段。（參見圖書館文章“ 通過反電動勢控制無傳感器，直流無刷電機 ”。）
與回繞EMF相比，霍爾效應傳感器邏輯開關輸出圖
圖5：霍爾效應傳感器邏輯開關輸出與繞組反電動勢相比，用于逆時針驅動的直流無刷電機。注意用于控制無傳感器直流無刷電機的反電動勢信息的過零點如何與配備傳感器的直流無刷電機中邏輯開關狀態的變化一致。（禮貌：MPS）
設計直流無刷電機
雖然涉及直流無刷電機換向的原理，但直流無刷電機功率和控制電路設計不需要。市場上有大量經過驗證的集成產品可用作電路的構建模塊。包含柵極驅動器或集成MOSFET的BLDC電源模塊位于電路的核心。
鑫海文的 A4915三相MOSFET驅動器用作直流無刷電機的六功率MOSFET橋的預驅動器。該設備專為電池供電的產品而設計。節能的一個顯著特征是低功耗睡眠模式，可確保設備在不轉動電機時消耗最小電流。該器件還具有同步整流功能，這是一種從開關穩壓器借來的技術，可降低功耗，無需外部肖特基二極管。
鑫海文還提供用于直流無刷電機的六功率MOSFET橋的預驅動器，但這次是用于汽車，家用電器和業余愛好產品的小型無傳感器單元。除了兩個低壓差（LDO）線性穩壓器和一個為MOSFET橋供電的電荷泵外，MCP8025器件還集成了一個降壓（“降壓”）開關穩壓器，為外部控制器供電。
該芯片通過測量浮動繞組的反電動勢來保持簡單，然后將其與電動機的中性點進行比較。當反EMF越過零點時，過零檢測器向主控制器發送信號以指示換向參考點。
德州儀器（TI）的DRV8313通過集成三個可單獨控制的半H橋驅動器，更進一步。這種布置的優點在于，除了用于三相直流無刷電機控制之外，該芯片還可用于驅動機械換向電機（使用兩個半H橋）或三個獨立的螺線管。該芯片可在8至60 V電源下提供高達3.5 A的電流。
DRV8313不包括傳感器輸入。TI建議，對于傳感器或無傳感器操作，芯片應與微控制器（如流行的MSP430）配合使用。如圖6所示，這種布置為傳感的三相BLDC電動機提供了完整的閉環控制系統。
用于傳感三相直流無刷電機的完整閉環控制系統圖
圖6：用于傳感三相直流無刷電機的完整閉環控制系統。該電路包括一個模擬速度輸入，MSP430微控制器監控功率MOSFET的PWM輸出，六MOSFET橋驅動器，MOSFET橋和直流無刷電機。電機定子和轉子位置由三個霍爾效應傳感器確定，這些傳感器將信號饋送到微控制器。（禮貌：德州儀器）
TI提供替代器件DRV8308，它不集成MOSFET。但是，它可以直接從三個霍爾效應傳感器輸入，因此如果愿意，可以在沒有額外微控制器的情況下使用。
雖然霍爾效應傳感器是位置反饋的成熟解決方案，但位置傳感器技術的發展提供了更高的精度和更高效的換向順序的前景。例如，ADI公司的ADA4571是一款角度傳感器和信號調理器，可以用一個器件取代典型三相直流無刷電機設計的三個霍爾效應傳感器。優點是節省空間，并且只需要使用單個信號即可。
ADA4571采用各向異性磁阻（AMR）技術。典型的實施方案是將直徑磁化的圓盤安裝在直流無刷電機軸的末端（見圖7）。盤的磁場穿過傳感器的平面，并且在沒有機械和電氣部件之間接觸的情況下確定轉子角度。
圖7：單個各向異性磁阻傳感器可以放置在安裝在直流無刷電機軸端的圓盤磁鐵附近，取代三個霍爾效應傳感器，用于直流無刷電機角度傳感，節省空間和簡化信號處理。
ADA4571提供與旋轉磁場角度相關的放大余弦和正弦輸出信號。輸出電壓范圍與電源電壓成比例。鑫海文建議將傳感器與AD7866 12位ADC結合使用，將ADA4571的模擬信號轉換為直流無刷電機驅動控制器或外部微控制器所需的數字信號。
直流無刷電機的電子換向需要精確控制，增加了電機電路的復雜性和成本。然而，效率的回報，例如降低功率，可靠性和空間，以及最終產品的重量減輕，抵消了這些缺點。此外，各種經過驗證的集成直流無刷電機驅動器極大地簡化了設計過程，同時為設計人員增加了靈活性，可針對特定應用微調設計。
鑫海文長期致力于無刷驅動器方案的研發，高壓/低壓無刷驅動器的研發生產。鑫海文擁有豐富開發應用經驗的專業研發技術團隊。選擇鑫海文，個性化定制專業解決方案。
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