高性能低功耗三相BLDC電機控制系統的設計

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

圖7：六步換向

由于為雙向電流，每個(gè)相位按照每個(gè)導通間隔有兩個(gè)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(gè)導電階段標記一個(gè)步驟，任何時(shí)候只能由兩個(gè)繞組導通電流，第三個(gè)繞組懸空。未勵磁繞組可用作反饋控制，構成無(wú)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(chǎng)，并產(chǎn)生最佳扭矩，必須在精確的轉子位置完成從一個(gè)扇形區到另一個(gè)的過(guò)渡。通過(guò)每 60 度轉向的開(kāi)關(guān)電路獲得最大扭矩。所有開(kāi)關(guān)控制算法均包含在MCU中。微控制器可通過(guò)MOSFET驅動(dòng)器控制開(kāi)關(guān)電路。MOSFET驅動(dòng)器包含適當響應時(shí)間(如 維持延遲及上升和下降時(shí)間)和驅動(dòng)能力(包括轉換MOSFET/IGBT “開(kāi)”或“關(guān)”狀態(tài)所需的門(mén)驅動(dòng)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(dòng)勢 (EMF) 可用于計算位置、速度和轉矩。

逆電動(dòng)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(shí)會(huì )出現這種情況。共有三個(gè)可用于控制和反饋信號的主要逆電動(dòng)勢特征。第一，適用于電機速度的逆電動(dòng)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(dòng)器。第二，逆電動(dòng)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(dòng)勢信號是對稱(chēng)的。精確檢測交叉事件是執行逆電動(dòng)勢算法的關(guān)鍵。逆電動(dòng)勢模擬信號可使用高壓運算放大器和模擬數字轉換器(廣泛應用于最現代的微控制器)按每個(gè)混合信號電路轉化至MCU。每個(gè)至少需要一個(gè)ADC。

圖8：交叉事件

使用無(wú)傳感器控制時(shí)，啟用順序至關(guān)重要，這是由于MCU最初不確定轉子的初始位置。首先啟動(dòng)電機，激勵兩個(gè)繞組，同時(shí)從逆電動(dòng)勢反饋回路進(jìn)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)控制系統操作BLDC電機。MCU可執行伺服回路控制、計算、糾正、PID控制及傳感器管理(如逆電動(dòng)勢、霍爾傳感器或轉速計)(參見(jiàn)圖9)。這些數字控制器通常為8位或更高，需要EEPROM儲存固件，從而獲得設置所需電機速度、方向及維持電機穩定性所需的算法。通常，MCU 可提供允許無(wú)傳感器電機

控制構架的ADC。該構架可節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(mǎn)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(dòng)MOSFET或IGBT及故障保護。采用這兩種技術(shù)均可高效地操作三項BLDC電機，且與感應電機和有刷電機價(jià)格相當。

圖9：閉環(huán)控制

總結

在許多市場(chǎng)和應用中，向高效BLDC電機過(guò)渡的趨勢越來(lái)越普遍。這是由于BLDC電機用于以下優(yōu)勢：

· 高效(達75%，交流電機僅為40%)

· 熱量更少

· 更高可靠性(無(wú)電觸頭)

· 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)。

通過(guò)在關(guān)鍵任務(wù)子系統中使用 BLDC 電機，可減少重量。這意味著(zhù)在車(chē)輛中應用節約更多燃油。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(zhù)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(jìn)綠色環(huán)保，節約全球寶貴資源的趨勢之一。