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BLDC电机控制的基本原理解析

无刷直流 (BLDC) 电机在各类各样的利用中广受青睐,如谋略机冷却风扇、磁盘驱动器、无线电动对象、电动自行车以及电唱机转盘。 跟着价格持续下降,电机将获得以致更广泛的利用,对资源最为敏感的利用则另当别论。 然而,跟着需求的增添,人们也越来越多地要求 BLDC 电机运行更平滑、更高效、更恬静。

虽然正弦节制是达到这些目标的最佳要领,但相对付更为传统的梯形节制技巧,这种节制则会增添资源和繁杂性。 本文将评论争论 BLDC 电机节制的基滥觞基本理,以及应用正弦节制而不是梯形节制的缘故原由。 本文还将先容一些现成的商业办理规划,包括集成式电机驱动器和节制器芯片等形式,这些规划可用于加倍轻松地过渡到正弦节制并加快设计流程。

BLDC 电机基滥觞基本理

BLDC 电机经由过程反向电机设置打消了应用机器换向器的要求;绕组成为定子,永磁体成为转子的一部分。 绕组平日由应用脉冲宽度调制 (PWM) 节制的六 MOSFET 电桥供电,它们按照节制序次进行转向,孕育发生扭转磁场,从而“拖拽”环抱它的转子并驱动相连的负载(图 1)。

换向由转子和定子的相对位置确定,详细则经由过程霍尔效应传感器丈量,或经由过程电机迁移转变时天生的反电动势 (EMF) 幅度丈量(限无传感器电机)。

今朝有三种电子换向节制规划:梯形、正弦和磁场定向节制 (FOC)。 FOC 实现资源高,专用于高端利用,是以本文不做评论争论。

对付许多利用,梯形节制的 BLDC 电机是最佳办理规划。 这类电机布局紧凑、机能靠得住,且价格也在迅速下降,是以尤其得当许多小型电机利用,包括汽车、白色家电和谋略机。

此外,梯形技巧最轻易实现,是以也最受迎接。 电机每相由直流供电,每 60? 进行换向。 相位驱动为“高”、“低”或维持浮动状态。

理论上,这样的系统可产一生滑、恒定扭矩。 实际上,特定相位的电流弗成能瞬间由低转为高。 相反,所导致的上升光阴在输出中天生与转向准时同等的波纹(图 2)。

转矩颠簸不是梯形节制 BLDC 电机的独一毛病。 另一个毛病是电气和声学噪声。 一个紧张的噪声便是为每个相位供电的快速切换直流电流。 从电气角度来说,这种噪声会加热绕组并低落效能。 从声学角度来说,开关频率及其谐波孕育发生的“嗡嗡”声音频率虽然不是很大年夜,但十分逆耳。

(有关 BLDC 电机运行和梯形节制规划的具体信息,请参阅资料库文章《若何对无刷直流电机进行供电和节制》。)

实施正弦节制

正弦节制十分繁杂,很少有工程师可以仅借用基滥觞基本理就实现系统。 一个更好的措施便是使用芯片供应商的常识和 BLDC 电机设计开拓套件NXP 的 FRDM-KE04Z 便是一个例子。

它使用 Kinetis KE04 ARM? Cortex?-M0 MCU 运行正弦算法。 因为节制电路设计基于一种通俗的 BLDC 驱动器芯片,是以进一步减轻了实现难度。 这些设备平日将 PWM 节制和电力电子器件集成到一个芯片,并供给外部 MCU 的接口。 其他设备集成 MCU,仅需一些额外的无源元器件就可以形成完备电路。

正弦替代要领:“鞍形”图

实践中极少应用纯粹弦驱动电压,由于相对付接地而言,为每个电机端子天生电压的效率很低。 一个更好的措施便是在相位间天生正弦差分电压,相位偏移 120? 进行换向。 实现要领是经由过程应用“鞍形”图(而不是正弦)改变相对付接地的 PWM 占空比(以及驱动电压)(图 3)。 随后,驱动电机的相电流就遵照相间电压的纯粹弦波变更。

鞍形图措施有两个优点: 第一,所孕育发生的最大年夜差分电压要高于纯粹弦旌旗灯号所能孕育发生的电压,因而给定输入的扭矩和速率也更大年夜。 第二,每个端子 1/3 光阴输出为零,进一步削减了功率级中的开关损耗。

正弦节制措施的一个繁杂之处在于:根据形成鞍形电压输入所必需的电机角度来正确节制占空比。 这在高速扭转时以致变得加倍艰苦。 寻衅主要在于每转只能正确确定电机位置六次,而转子的此中一个磁极颠末三个霍尔传感器中的一个。 例如,FRDM-KE04Z 常用的办理规划是将电机角速率乘以 ?T 并假定电机速率恒定,从而估算霍尔传感器之间的电机角度 (“mtrAngle”)。

然后应用查询表确定特定角度的 PWM 占空比。 在 FRDM-KE04Z 中,查询表为电机扭转的每个角度(实际 384 个增量)供给占空比。

此类措施使用了应用鞍形图的附带影响。 分外阐明:因为特定相位的电压值在三分之一光阴内为零,这段光阴不必要查询,因而必要的处置惩罚器资本更少,并容许在利用中应用更通俗的低资源 MCU。

这种措施的毛病是启动阶段电机快速加速时,霍尔传感器之间的电机速率插值很可能不正确。 这会导致扭矩相应不平稳。

针对这一问题,ROHM Semiconductor 的 BD62011FS 风扇电机节制器采纳的一种常见办理规划是:以梯形节制模式启动电机,在达到特定速率(平日 5 - 100 Hz)后切换到正弦节制,此时插值的正确度更高。

Rohm 的设备主要针对配备霍尔传感器的 BLDC 电机的节制。 芯片采纳高压侧和低压侧 MOSFET 的 PWM 节制和正弦换向逻辑。 它可在 10 到 18 V 输入范围内运行,并供给介于 2.1 和 5.4 V(最高 1 W)的输出范围。 目标利用包括空调、水泵和白色家电。

另一个设计寻衅是给定相位驱动电压和孕育发生的正弦波电流之间的相位延迟,平日发生于非补偿型 BLDC 电机。 电机可正常运行,但效能将低落,这会首先挫败实现正弦节制规划的目标。 这种效能低下的缘故原由不是驱动电压和相位电流之间的相位延迟,而是相位电流和正弦反电动势之间的相位延迟。

幸运的是,许多驱动芯片,包括 ON Semiconductor 的 LV8811G 功率 MOSFET 驱动器,容许设计职员在正弦驱动电流中引入超前相角,从而确保其峰值与反电动势的峰值同等。 超前相角平日设为随输入电压线性增添,而电压抉择电机速率(图 4)。

LV8811G 是三相 BLDC 电机驱动器,由单个霍尔传感器节制并采纳正弦节制。 直接 PWM 脉冲输入或直流电压输入都可用于节制电机转速。

应用 LV118811G 时,设计职员可经由过程引脚 PH1 和 PH2 上的分压电阻器来设置初始前提:相角开始超前的速率和超前相角斜坡的梯度。 之后芯片的内部逻辑根据预定公式确定给定速率的超前相角。

无传感器 BLDC 正弦节制

正弦节制还可经由过程无传感器的 BLDC 电机实现。 这些电机的运行要领与应用霍尔效应传感器的电机相似,除了位置信息是经由过程丈量反电动势得到。 (有关具体信息,请参阅资料库文章《经由过程反电动势节制无传感器的 BLDC 电机》。)

例如,Texas Instruments 的 DRV10983 便是设计用于无传感器的 BLDC 电机的正弦节制。 芯片集成电力电子器件,可以连接外部 MCU 并供给高达 2 A 的继续驱动电流。正弦节制经由过程应用公司的专有节制规划来实现。

在该规划中,换向节制算法继续丈量电机相电流并按期丈量供电电压。 然后,设备应用该信息谋略反电动势和电机位置。 电机速率由单位光阴内一个相位的反电动势的过零次数确定。 芯片还容许超前相角,以调剂相电流和反电动势,从而实现最大年夜效能。

DRV10983 是专门设计用于资源敏感、低噪声、低外部元器件计数的利用(图 5)。

总结

BLDC 电机因为机能和靠得住性的上风,正徐徐成为传统有刷型电机的替代产品。 对付许多利用,梯形节制可满意应用预期,但假如设计职员的义务是前进效能、削减电气和声学噪声并前进扭矩通报,则应斟酌正弦节制。

虽然正弦节制增添了繁杂度和资源,但开拓对象、功能性 MCU 以及集成驱动器 IC 已大年夜大年夜简化了设计流程,使正弦节制加倍实用简单。 不仅如斯,开拓对象的机动性和驱动器 IC 的适应性使设计职员能够精调利用的电机,并更多关注产品差异化方面。

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