如何为无感无刷直流电机供电和控制

如何为无刷直流电机供电和控制

无刷直流电机越来越受欢迎是由于使用了电子换向。这取代了由电刷在换向器上摩擦来为直流电机电枢中的绕组供电的传统机械装置。电子换向提供比传统直流电机更高的效率，对于以相同速度和负载运行的电机，效率提高了 20% 到 30%。正如国际能源署报告的那样，全球 40% 的电力用于为电动机提供动力，因此这种效率提升变得引人注目。此外，无感直流无刷电机更耐用。它保持其高性能，而等效的传统电机的效率和功率会因磨损而下降，从而导致电刷接触不良、电刷和换向器之间的电弧耗散能量以及污垢影响导电性。更高的效率允许 无感直流无刷电机在给定功率输出的情况下制造得更小、更轻、更安静，从而进一步提高其在汽车等行业的受欢迎程度；白色家电；以及供暖、通风和空调 (HVAC)。无感直流无刷电机的其他优势包括卓越的速度与扭矩特性（启动时的扭矩除外）、更动态的响应、无噪音运行和更高的速度范围。无感直流无刷电机的缺点是其复杂性和相关的成本增加。电子换向需要监控电路来确保线圈通电的定时，以实现准确的速度和扭矩控制，并确保电机以高效率运行。幸运的是，这个领域正在迅速成熟，硅供应商现在提供各种高度集成的 无感直流无刷电机驱动器功率 MOSFET 芯片，带有外部或嵌入式微控制器，以简化设计过程，同时降低组件成本。

无感直流无刷电机基础知识

所有电动机，无论是机械换向还是电子换向，都遵循相同的将电能转换为机械能的基本方法。通过绕组的电流会产生磁场，在存在第二个磁场（通常由永磁体引发）的情况下，该磁场会在该绕组上产生一个力，当其导体与第二个磁场成 90° 时，该力会达到大值。增加线圈数量可提高电机输出并平滑功率传输。（Monolithic Power Systems (MPS) 制作了一份应用笔记（参见参考资料 1），其中很好地总结了电机的基本概念。）无感直流无刷电机通过反转电机设置克服了对机械换向器的要求；绕组成为定子，永磁体成为转子的一部分。定子通常由钢叠片组成，轴向开槽以容纳沿其内周的偶数个绕组。转子由一个轴和一个带有永磁体的轮毂组成，这些永磁体排列成两到八个在“N”和“S”之间交替的极对。显示了一个常见磁体布置的示例，在这种情况下，两个磁体对直接连接到转子轮毂上。无感直流无刷电机磁铁对齐示意图；在无感直流无刷电机中，永磁体连接到转子。典型的配置包括两到八对在“N”和“S”极之间交替。（提供：公安部）因为绕组是固定的，所以可以建立连接来为它们供电。为了使固定绕组移动永磁体，需要以受控顺序对绕组通电（或换向）以产生旋转磁场。由于定子产生的旋转磁场使转子以相同频率旋转，因此 无感直流无刷电机被称为“同步”型电机。无感直流无刷电机可以是一相、两相或三相。三相 无感直流无刷电机是常见的，将成为本文其余部分的主题。无感直流无刷电机控制；迄今为止，向三相 无感直流无刷电机顺序施加电流的常见配置是使用三对以桥式结构排列的功率 MOSFET，每对控制电机一个相的开关。在典型的布置中，高端 MOSFET 使用脉宽调制 (PWM) 进行控制，PWM 将输入直流电压转换为调制驱动电压。PWM 的使用允许限制启动电流并提供对速度和扭矩的控制。PWM 频率是高频下发生的开关损耗与低频下发生的纹波电流之间的权衡，在极端情况下，这会损坏电机。通常，设计人员使用的 PWM 频率至少比大电机转速高一个数量级。

 

Scheme-It 三相BLDC电机示意图

三相 无感直流无刷电机通常由三对以桥式结构排列并由 PWM 控制的 MOSFET 供电。PWM 提供对电机速度和扭矩的控制。（使用Digi-Key Scheme-it®绘制的图表0）电子换向有三种控制方案：梯形、正弦和磁场定向控制。梯形技术（在下面的示例中描述）是简单的。在每一步，两个绕组通电（一个“高”和一个“低”），而另一个绕组浮动。梯形方法的缺点是这种“阶梯式”换向会导致扭矩“波动”，尤其是在低速时。正弦控制更复杂，但它减少了转矩脉动。在此控制机制期间，所有三个线圈保持通电，每个线圈中的驱动电流以 120° 正弦变化。与梯形技术相比，结果是更平滑的功率传输。磁场定向控制依赖于测量和调整定子电流，以便转子和定子磁通之间的角度始终为 90°。与所有其他技术相比，这种技术在高速下比正弦方法更有效，并且在动态负载变化期间提供更好的性能。几乎没有转矩脉动，并且可以在低速和高速下实现更平滑、准确的电机控制。本文将把其余的技术讨论限制在梯形技术上。在采用梯形控制方案的电机中，MOSFET 桥开关必须以定义的顺序发生，以便 无感直流无刷电机高效运行。开关顺序由转子磁体对和定子绕组的相对位置决定。三相 无感直流无刷电机需要六步换向序列才能完成一个电气周期。每个电循环的机械转数由转子上的磁铁对数决定。例如，将需要两个电循环来使由两对磁铁组成的转子机械旋转一圈。

有感与无感；两种技术为位置反馈提供了解决方案。种也是常见的使用三个霍尔效应传感器嵌入定子并以相等的间隔排列，通常为 60° 或 120°。第二种“无传感器”控制技术适用于需要少电气连接的 无感直流无刷电机。在配备传感器的 无感直流无刷电机中，每个霍尔效应传感器都与一个开关相结合，该开关生成逻辑“高”（对于一个磁极）或“低”（对于相反磁极）信号。换向顺序是通过组合来自霍尔效应传感器和相关开关的逻辑信号来确定的。在任何时候，至少有一个传感器被转子的磁极之一触发并产生电压脉冲。说明了逆时针驱动的三相 无感直流无刷电机的换向顺序。霍尔效应传感器安装在位置“a”、“b”和“c”。对于换向序列中的每一步，MOSFET 电桥将一个绕组（“U”、“V”或“W”）驱动为高电平，同时将一个绕组驱动为低电平，第三个绕组悬空。例如，在图的左上角，U 为高（形成 N 极），V 为低（S），W 为浮动。产生的磁场使转子逆时针移动，因为它的永磁体被一个绕组排斥并被下一个绕组吸引。第二阶段（下图）显示绕组 U 保持高电平，而 V 切换到浮动，W 切换到低电平，从而保持磁场的“旋转”并随之移动转子。剩余的换向步骤，一个电气周期，无传感器 无感直流无刷电机利用电动势 (EMF)，在任何直流电机的绕组中产生电流，其磁场与楞次定律描述的磁通量的原始变化相反。EMF 趋向于抵抗电机的旋转，因此被称为“反”EMF。对于具有固定磁通量和绕组数的给定电机，EMF 与转子的角速度成正比。通过监控反电动势，经过适当编程的微控制器可以确定定子和转子的相对位置，而无需霍尔效应传感器。这简化了电机结构，降低了成本，并消除了支持传感器所需的额外接线和电机连接，从而提高了可靠性。

 

然而，由于静止的电机不产生反电动势，控制器无法在启动时确定电机位置。解决方案是以开环配置启动电机，直到产生足够的 EMF 供控制器确定转子和定子位置，然后接管监控。如果电机用于禁止反向旋转的应用，则使用更复杂的控制机制。由上述 无感直流无刷电机的每个绕组产生的反电动势显示在图 5 的下半部分。这与配备传感器的类似 无感直流无刷电机的霍尔效应传感器逻辑开关输出进行了比较。从图中可以看出，绕组中产生的电动势的零交叉点与逻辑开关的开关状态变化一致。微控制器正是使用这种过零信息来触发无传感器 无感直流无刷电机换向周期的每个阶段。（请参阅库文章“通过反电动势控制无传感器、无感直流无刷电机”。）

设计 无感直流无刷电机

虽然涉及 无感直流无刷电机换向原理，但无需涉及 无感直流无刷电机电源和控制电路设计。市场上有大量经过验证的集成产品可用作电路的构建块。包含栅极驱动器或集成 MOSFET 的 BLDC 电源模块位于电路的核心。Allegro Microsystems 的 A4915三相 MOSFET 驱动器用作 无感直流无刷电机的六功率 MOSFET 桥的预驱动器。该设备专为电池供电产品而设计。节能的一个显着特点是低功耗睡眠模式，可确保设备在不转动电机时消耗少的电流。该器件还具有同步整流功能，这是一种借鉴自开关稳压器的技术，用于降低功耗并消除对外部肖特基二极管的需求。Microchip还为 无感直流无刷电机的 6 功率 MOSFET 桥提供预驱动器，但这次用于汽车、家用电器和业余爱好产品中使用的小型无传感器单元。所述MCP8025器件集成线性稳压器降压（“巴克”）开关稳压电源除了外部控制器两个低压降（LDO）和电荷泵功率MOSFET电桥。该芯片通过测量浮动绕组的反电动势，然后将其与电机的中性点进行比较，从而使事情变得简单。当反电动势越过零点时，过零检测器向主控制器发送信号以指示换向参考点。德州仪器 (TI)的DRV8313通过集成三个独立可控的半 H 桥驱动器，更进一步。这种安排的优点是，除了用于三相 无感直流无刷电机控制外，该芯片还可用于驱动机械换向电机（使用两个半 H 桥）或三个独立的螺线管。该芯片可通过 8 至 60 V 电源提供高达 3.5 A 的电流。DRV8313 不包括传感器输入。TI 建议，对于有传感器或无传感器操作，芯片应与微控制器（如流行的MSP430 ）搭配使用。这种布置为有传感器的三相 无感直流无刷电机提供了完整的闭环控制系统。

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