無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制介紹

無(wú)刷直流（BLDC）馬達(dá)正在成為行業(yè)，如汽車（特別是電動(dòng)車輛（EV）），HVAC，白色家電及工業(yè)因?yàn)樗饤壛藗鹘y(tǒng)的電動(dòng)機(jī)中使用的機(jī)械換向器日益流行，與電子裝置取代它這提高了設(shè)備的可靠性和耐用性。

BLDC電機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以做得比具有相同功率輸出的電刷更小更輕，這使得前者適用于空間緊張的應(yīng)用。

缺點(diǎn)是BLDC電機(jī)確實(shí)需要電子管理來(lái)運(yùn)行。例如，需要一個(gè)微控制器 - 使用來(lái)自傳感器的指示轉(zhuǎn)子位置的輸入 - 在正確的時(shí)刻激勵(lì)定子線圈。精確的時(shí)序允許精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制，并確保電機(jī)以最高效率運(yùn)行。

本文解釋了BLDC電機(jī)操作的基本原理，并介紹了三相單元操作的典型控制電路。本文還考慮了一些集成模塊 - 設(shè)計(jì)人員可以選擇這些模塊以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì) - 這是專門為BLDC電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的。

無(wú)刷操作的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)電機(jī)的電刷向轉(zhuǎn)子繞組傳輸功率，當(dāng)通電時(shí)，轉(zhuǎn)入固定磁場(chǎng)。靜止的刷子與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)金屬觸點(diǎn)之間的摩擦?xí)?dǎo)致磨損。另外，由于電刷與金屬接觸不良和電弧放電，可能會(huì)損失電力。

由于BLDC電機(jī)無(wú)需使用電刷，而是使用“電子換向器” - 通過(guò)消除這種磨損和功率損耗，電機(jī)的可靠性和效率得到了提高。此外，無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，包括更好的速度與扭矩特性; 更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng); 無(wú)聲操作; 和更高的速度范圍。¹ 

此外，相對(duì)于電機(jī)尺寸而言，所提供的扭矩比率更高，使其成為諸如洗衣機(jī)和電動(dòng)汽車等應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)檫@些應(yīng)用需要高功率，但緊湊和輕便是關(guān)鍵因素。（但是，應(yīng)該注意的是，電刷式直流電機(jī)確實(shí)具有較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。）

由于定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)以相同的頻率旋轉(zhuǎn)，所以BLDC電機(jī)被稱為“同步”類型。這種安排的一個(gè)好處是BLDC電機(jī)不會(huì)遇到感應(yīng)電機(jī)典型的“滑動(dòng)”現(xiàn)象。

雖然電機(jī)可以采用單相，雙相或三相型，但后者是最常見(jiàn)的類型，并且將在此討論。

BLDC電機(jī)的定子包括鋼疊片，軸向開(kāi)槽以容納沿著內(nèi)周緣的偶數(shù)個(gè)繞組（圖1）。雖然BLDC電機(jī)定子類似于感應(yīng)電機(jī)，但繞組分布不同。

圖1：BLDC電機(jī)的定子，顯示帶軸向繞組的開(kāi)槽鋼環(huán)。（由Microchip提供）

轉(zhuǎn)子由永磁體和2至8個(gè)NS極對(duì)構(gòu)成。更多的磁體增加扭矩并平滑掉所謂的扭矩波動(dòng)，從而減少電機(jī)的功率輸出。缺點(diǎn)是更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，成本增加和最大速度降低。

傳統(tǒng)上，鐵氧體磁體被用來(lái)制造永磁體，但當(dāng)代單位傾向于使用稀土磁體。雖然這些磁體更昂貴，但它們會(huì)產(chǎn)生更大的磁通密度，從而允許轉(zhuǎn)子在給定的轉(zhuǎn)矩下變小。這些強(qiáng)大的磁鐵的使用是BLDC電機(jī)比相同尺寸的電刷式直流電機(jī)提供更高功率的關(guān)鍵原因。

有關(guān)BLDC電機(jī)結(jié)構(gòu)和操作的詳細(xì)信息可以在Microchip Technology發(fā)布的有趣的應(yīng)用指南（AN885）中找到。^2工作 

原理

BLDC電機(jī)的電子換向器會(huì)依次激勵(lì)定子線圈，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子與其“拖曳”。N“電氣旋轉(zhuǎn)”相當(dāng)于一次機(jī)械旋轉(zhuǎn)，其中N是磁鐵對(duì)的數(shù)量。

對(duì)于三相電機(jī)，定子中嵌入了三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，用于指示定子和轉(zhuǎn)子與控制器的相對(duì)位置，以便它能以正確的順序和正確的時(shí)間為繞組通電。霍爾傳感器通常安裝在設(shè)備的非驅(qū)動(dòng)端（圖2）。

圖2：霍爾傳感器嵌入BLDC電機(jī)的定子中以確定繞組通電順序。（由Microchip提供）

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極通過(guò)霍爾傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高電平（對(duì)于一個(gè)極）或低電平（對(duì)于相反極）信號(hào)。如下面詳細(xì)討論的，可以通過(guò)組合來(lái)自三個(gè)傳感器的信號(hào)來(lái)確定換向的確切順序。

由于繞組通過(guò)相關(guān)磁場(chǎng)的移動(dòng)，所有的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電壓電勢(shì)。這種電勢(shì)被稱為電動(dòng)勢(shì)（EMF），根據(jù)楞次定律，它會(huì)在繞組中產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)的電流，以抵抗原始磁通量的變化。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這意味著EMF傾向于抵抗電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，因此被稱為“反向”電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于固定磁通量和繞組數(shù)量的給定電動(dòng)機(jī)，EMF與轉(zhuǎn)子的角速度成比例。

但是反電動(dòng)勢(shì)在為電動(dòng)機(jī)添加一些“阻力”的情況下可以用于獲得優(yōu)勢(shì)。通過(guò)監(jiān)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，微控制器可以確定定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，而不需要霍爾效應(yīng)傳感器。這簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，降低了成本，并且消除了為支持傳感器而需要的附加接線和電機(jī)連接。當(dāng)污垢和濕度存在時(shí)，這可以提高可靠性。

但是，固定電機(jī)不產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，使得微控制器無(wú)法在啟動(dòng)時(shí)確定電機(jī)部件的位置。解決方案是以開(kāi)環(huán)配置啟動(dòng)電機(jī)，直到產(chǎn)生足夠的EMF以使微控制器接管電機(jī)監(jiān)控。這些所謂的“無(wú)傳感器”BLDC電機(jī)越來(lái)越受歡迎。

控制BLDC電機(jī)

盡管BLDC電機(jī)在機(jī)械上相對(duì)簡(jiǎn)單，但它們確實(shí)需要復(fù)雜的控制電子元件和穩(wěn)壓電源。設(shè)計(jì)師面臨著處理需要精確控制以高效運(yùn)行的三相高功率系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。

圖3顯示了驅(qū)動(dòng)帶霍爾效應(yīng)傳感器的BLDC電機(jī)的典型布局。（使用反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量的無(wú)傳感器BLDC電機(jī)的控制將在以后的文章中介紹。）該系統(tǒng)顯示電機(jī)的三個(gè)線圈以“Y”形排列，Microchip PIC18F2431微控制器，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）驅(qū)動(dòng)器和包含六個(gè)IGBT（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的三相逆變器也可以用于高功率開(kāi)關(guān)）。微控制器的輸出（由IGBT驅(qū)動(dòng)器鏡像）包括脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，該信號(hào)確定線圈的平均電壓和平均電流（從而確定電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩）。電機(jī)使用三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器（A，B和C）來(lái)指示轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)子本身使用兩對(duì)永磁體來(lái)產(chǎn)生磁通量。

圖3：使用8位微控制器的BDLC電源控制系統(tǒng)。（由Microchip提供。）

系統(tǒng)在每次電氣回轉(zhuǎn)中采用六步換向序列。由于電機(jī)有兩對(duì)磁鐵，因此需要進(jìn)行兩次電氣旋轉(zhuǎn)來(lái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)一次。

圖4顯示了圖6中與電機(jī)相同布置的電流（這段時(shí)間被標(biāo)記為U，V和W），這六個(gè)步驟中的每一個(gè)都有電流流動(dòng)，圖5顯示了隨后的霍爾效應(yīng)傳感器輸出和線圈電壓。

圖4：三相BLDC電機(jī)的一次電氣回轉(zhuǎn)的線圈通電順序。（由Atmel提供。）

圖5：霍爾效應(yīng)傳感器的狀態(tài)決定了線圈何時(shí)以及如何通電。一對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器連接到每個(gè)線圈。（由Atmel提供）

一對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器決定了單片機(jī)何時(shí)激勵(lì)線圈。在這個(gè)例子中，傳感器H1和H2確定線圈U的切換。當(dāng)H2檢測(cè)到N個(gè)磁極時(shí)，線圈U被正向通電; 當(dāng)H1檢測(cè)到一個(gè)N磁極時(shí)，線圈U被打開(kāi); 當(dāng)H2檢測(cè)到S磁極線圈U被切換為負(fù)時(shí)，最后，當(dāng)H1檢測(cè)到S磁極時(shí)，線圈U再次打開(kāi)。類似地，傳感器H2和H3確定線圈V的激勵(lì)，H1和H3照射線圈W.

在每一步中，兩相通過(guò)一相給料電流流向電動(dòng)機(jī)，另一相提供電流返回路徑。另一個(gè)階段是開(kāi)放的。微控制器控制三相逆變器中的哪兩個(gè)開(kāi)關(guān)必須閉合，以對(duì)兩個(gè)有源線圈進(jìn)行正向或負(fù)向通電。例如，圖3中的開(kāi)關(guān)Q1正向激勵(lì)線圈A，開(kāi)關(guān)Q2負(fù)向激勵(lì)線圈B以提供返回路徑。線圈C保持打開(kāi)狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)全尺寸電機(jī)之前，設(shè)計(jì)人員可以嘗試使用基于8位微控制器的開(kāi)發(fā)套件來(lái)嘗試控制機(jī)制。例如，Atmel公司已經(jīng)生產(chǎn)的廉價(jià)的起始試劑盒，所述ATAVRMC323基于所述，用于BLDC電機(jī)控制ATxmega128A18位微控制器。⁴其他幾家供應(yīng)商也提供類似的工具包。

驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)

雖然聯(lián)接到三相逆變器的8位微控制器是一個(gè)很好的開(kāi)始，但對(duì)于一個(gè)完整的BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不夠的。要完成這項(xiàng)工作，需要使用穩(wěn)壓電源來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT或MOSFET（圖3所示的“IGBT驅(qū)動(dòng)器”）。幸運(yùn)的是，這項(xiàng)工作變得更加容易，因?yàn)閹准抑饕陌雽?dǎo)體供應(yīng)商專門為這項(xiàng)工作設(shè)計(jì)了集成驅(qū)動(dòng)芯片。

這些器件通常包括降壓（“降壓”）轉(zhuǎn)換器（為微控制器和其他系統(tǒng)電源要求供電），門驅(qū)動(dòng)器控制和故障處理，以及一些定時(shí)和控制邏輯。該DRV8301從三相預(yù)驅(qū)動(dòng)器德州儀器就是一個(gè)很好的例子（圖6）。

圖6：德州儀器的DRV8301電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在單個(gè)封裝中集成了降壓型穩(wěn)壓器，柵極驅(qū)動(dòng)器和控制邏輯。

該預(yù)驅(qū)動(dòng)器支持高達(dá)2.3 A的灌電流和1.7 A的源峰值電流能力，并且需要一個(gè)輸入電壓為8至60 V的單電源。該器件在高端或低端IGBT或MOSFET正在切換以防止電流通過(guò)。

安森美半導(dǎo)體提供類似的芯片LB11696V。在這種情況下，可以通過(guò)在輸出電路中增加分立晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)具有所需輸出功率（電壓和電流）的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路。該芯片還提供了完整的保護(hù)電路，使其適用于必須具有高可靠性的應(yīng)用。該設(shè)備專為大型BLDC電機(jī)而設(shè)計(jì)，如用于空調(diào)和按需熱水器的電機(jī)。

綜上所述

BLDC電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。從電機(jī)上拆下電刷可消除機(jī)械零件，否則會(huì)降低效率，磨損或可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障。此外，強(qiáng)大的稀土磁體的開(kāi)發(fā)已經(jīng)允許生產(chǎn)BLDC電機(jī)，其能夠在裝配到較小空間時(shí)產(chǎn)生與刷式電機(jī)相同的功率。

一種被認(rèn)為的缺點(diǎn)是，與電刷類型不同，BLDC電機(jī)需要電子系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控線圈的激勵(lì)順序并提供其他控制功能。沒(méi)有電子設(shè)備，電機(jī)將無(wú)法運(yùn)行。

然而，專門為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的便宜，堅(jiān)固的電子設(shè)備的普及意味著設(shè)計(jì)電路相對(duì)簡(jiǎn)單且便宜。實(shí)際上，通過(guò)采用適度的三相正弦波或方波發(fā)生器，無(wú)需使用微控制器即可將BLDC電機(jī)設(shè)置為基本配置。例如，飛兆半導(dǎo)體公司為其應(yīng)用提供FCM8201芯片，并發(fā)布了關(guān)于如何設(shè)置的應(yīng)用筆記。⁵ 

同樣，安森美半導(dǎo)體的MC33033 BLDC電機(jī)控制器在芯片上集成了轉(zhuǎn)子位置解碼器，因此無(wú)需微控制器來(lái)完成系統(tǒng)。該器件可用于控制三相或四相BLDC電機(jī)。

然而，使用8位微控制器（使用工廠提供的代碼或開(kāi)發(fā)人員自己的軟件進(jìn)行編程）可以為控制系統(tǒng)增加很少的成本，同時(shí)為用戶提供更大的電機(jī)控制，以確保其以最佳效率運(yùn)行提供更精確的位置，速度或扭矩輸出。 
(責(zé)任編輯：ioter)