三相BLDC電機控制系統的實(shí)際應用及設計探討

如今，工程師將電機控制系統用于數字與模擬技術(shù)來(lái)應對過(guò)去面臨的挑戰，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(dòng)態(tài)控制電機動(dòng)作的機會(huì )，從而使其能夠應對環(huán)境壓力和狀況。這有助于延長(cháng)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(shí)還可延長(cháng)操作時(shí)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，數字與模擬組件之間的關(guān)系變得非常重要。

本文將簡(jiǎn)要探討在三相BLDC電機應用中使用模擬組件和微控制器時(shí)應考慮的問(wèn)題。同時(shí)還將重點(diǎn)介紹適合在直流電壓從12V到300V不等的電源下驅動(dòng)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(lái)源

近來(lái)，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(chǎng)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(guò)時(shí)的交流電機或機械泵技術(shù)。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(wú)刷型，所以無(wú)磨損)

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

在主要子系統中使用BLDC電機還可降低整個(gè)系統重量。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。

2工業(yè)系統應用

多數泵、風(fēng)機、空調、混合器及 HVAC 需要電機驅動(dòng)。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(dòng)”。

圖1 空調原理框圖3 BLDC電機驅動(dòng)

有幾種方法可用于驅動(dòng)BLDC電機；一些基本系統要求如下所列：

3.1大功率晶體管

這些通常是場(chǎng)效應管(MOSFET)或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，可承受高壓(滿(mǎn)足電機的要求)。多數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.對于高壓系統而言(通常 >350V)，可使用IGBT。

3.2MOSFET/IGBT驅動(dòng)器

通常，可使用一組MOSFET/IGBT驅動(dòng)器?？蛇x擇“半橋”驅動(dòng)器或三相驅動(dòng)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(dòng)勢 (EMF)。此外，這些裝置需要通過(guò)設置時(shí)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(kāi)之前關(guān)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中設置一些“反饋元件”。例如光學(xué)傳感器、霍爾效應傳感器、轉速計及最簡(jiǎn)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(dòng)勢傳感的無(wú)傳感器技術(shù)。

3.4模擬數字轉換器

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