基于三相BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

0 引言

如今，工程師將電機(jī)控制系統(tǒng)用于數(shù)字與模擬技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)過(guò)去面臨的挑戰(zhàn)，包括電機(jī)速度控制、旋轉(zhuǎn)方向、漂移及電機(jī)疲勞等。微控制器 (MCU) 的應(yīng)用為當(dāng)代工程師提供了動(dòng)態(tài)控制電機(jī)動(dòng)作的機(jī)會(huì)，從而使其能夠應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力和狀況。這有助于延長(zhǎng)操作壽命并減少維修，從而降低成本。

目前，電機(jī)制造商傾向于制造三相BLDC電機(jī)。原因在于BLDC電機(jī)不直接接觸換向器和電氣終端(有刷電機(jī)直接接觸)，因而不僅可降低功耗增加扭矩，同時(shí)還可延長(zhǎng)操作時(shí)間。遺憾的是，與有刷直流或交流電機(jī)相比，三相電機(jī)控制裝置更加復(fù)雜。此外，數(shù)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(jī)應(yīng)用中使用模擬組件和微控制器時(shí)應(yīng)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(qū)動(dòng)微控制器的電源管理裝置及功率電平位移器。

1 對(duì)BLDC電機(jī)的需求的來(lái)源

近來(lái)，設(shè)計(jì)師更喜歡使用高效的BLDC電機(jī)。這種趨勢(shì)適用于眾多市場(chǎng)和各種應(yīng)用。目前，許多應(yīng)用能夠或已經(jīng)使用BLDC電機(jī)替代過(guò)時(shí)的交流電機(jī)或機(jī)械泵技術(shù)。使用BLDC電機(jī)的重要優(yōu)勢(shì)包括：

●更高效(達(dá) 75%,交流電機(jī)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(xiǎn)環(huán)境下操作更加安全(無(wú)灰塵產(chǎn)生，而有刷電機(jī)則有)。

在主要子系統(tǒng)中使用BLDC電機(jī)還可降低整個(gè)系統(tǒng)重量。由于BLDC電機(jī)完全采用電子整流，因此更易于高速地控制電機(jī)的扭矩和RPM.全球政府正應(yīng)對(duì)電網(wǎng)不足引起的有效功率不足。此外，全球許多地區(qū)必須應(yīng)對(duì)需求高峰期產(chǎn)生的電源中斷。因此，這些國(guó)家正在提供補(bǔ)貼或準(zhǔn)備發(fā)放補(bǔ)貼，以便更有效地使用BLDC電機(jī)。

表1 無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

2 戰(zhàn)略細(xì)分市場(chǎng)和應(yīng)用

2.1汽車

汽車市場(chǎng)中包含許多機(jī)械和液壓泵/移動(dòng)控制裝置被替換的實(shí)例。具體應(yīng)用包括燃油泵、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、座椅控制、汽車HVAC(暖通空調(diào))頂窗運(yùn)動(dòng)及擋風(fēng)玻璃的刮水電機(jī)等。據(jù)計(jì)算，轉(zhuǎn)換為BLDC電機(jī)后，可為每項(xiàng)上述功能節(jié)省約每加侖汽油多行駛一英里的能源。這需歸功于顯著的燃料節(jié)省及功率效率。

圖1 車窗玻璃升降器原理框圖

2.2家電

家電市場(chǎng)中一些家電可得益于使用高效的BLDC電機(jī)。其中包括泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、攪拌器、手動(dòng)工具及其它廚房用具。

圖2 攪拌器電機(jī)控制原理框圖

2.3工業(yè)系統(tǒng)

多數(shù)泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、混合器及 HVAC 需要電機(jī)驅(qū)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(jī)的三相“變頻驅(qū)動(dòng)”.

圖3 空調(diào)原理框圖

2.4大型家電

使用高效 BLDC 電機(jī)可減少許多洗衣機(jī)和干衣機(jī)的用電量。

圖4 洗衣機(jī)電機(jī)原理圖

表2 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)

3 BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)

有幾種方法可用于驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī);一些基本系統(tǒng)要求如下所列：

3.1大功率晶體管

這些通常是場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，可承受高壓(滿足電機(jī)的要求)。多數(shù)家電使用的電機(jī)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(dá)到10A.對(duì)于高壓系統(tǒng)而言(通常 >350V)，可使用IGBT.

3.2MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)器

通常，可使用一組MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)器。可選擇“半橋”驅(qū)動(dòng)器或三相驅(qū)動(dòng)器。這些解決方案能夠操作的電壓必須為電機(jī)電壓的兩倍，以應(yīng)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的逆電動(dòng)勢(shì) (EMF)。此外，這些裝置需要通過(guò)設(shè)置時(shí)間和切換控制提供功率晶體管保護(hù)，從而確保底部晶體管打開之前關(guān)掉頂部晶體管。

3.3反饋元件/控制

設(shè)計(jì)師應(yīng)在所有伺服控制系統(tǒng)中設(shè)置一些“反饋元件”.例如光學(xué)傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器、轉(zhuǎn)速計(jì)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(fèi)者電器通常使用反電動(dòng)勢(shì)傳感的無(wú)傳感器技術(shù)。

3.4模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

在許多情況下，需要設(shè)置模擬數(shù)字裝置，以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而將數(shù)字信號(hào)發(fā)送至系統(tǒng)MCU.

3.5MCU 微控制器

所有閉環(huán)控制系統(tǒng)(BLDC電機(jī)幾乎一直屬于此群組)均需要MCU,以實(shí)現(xiàn)伺服回路控制、計(jì)算、糾正、PID控制機(jī)傳感器管理。這些數(shù)字控制器通常為16位，但是復(fù)雜性較低的應(yīng)用可使用8位控制器。

3.6模擬功率/調(diào)節(jié)器/基準(zhǔn)

除了上述組件以外，許多系統(tǒng)還包括輔助電源、電壓轉(zhuǎn)換及其他模擬設(shè)備，如管理器、LDO、直流/直流及運(yùn)算放大器。

圖5 24V無(wú)刷直流電機(jī)控制的典型原理框圖

4 麥瑞公司電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)

4.1功率驅(qū)動(dòng)器

麥瑞公司擁有適合業(yè)界應(yīng)用的各種類型MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)器。主要參數(shù)包括： 快速脈沖延遲、閘電荷/控制的高峰值電流及工作電壓達(dá)85V.例如，麥瑞 MIC4604系列可承受的逆電動(dòng)勢(shì)電機(jī)電壓達(dá)85V.

4.2電壓基準(zhǔn)與管理器

麥瑞可提供一系列對(duì)操作MCU至關(guān)重要的裝置。實(shí)例包括： MIC811、MIC2775及MIC1232電壓管理器電路。

4.3運(yùn)算放大器/比較儀

麥瑞擁有一系列低功率運(yùn)算放大器與比較儀。這些裝置對(duì)于確保精確的伺服系統(tǒng)反饋控制至關(guān)重要。實(shí)例包括： MIC6270、MIC841N及MIC833.

4.4LDO

麥瑞可提供行業(yè)中最廣泛應(yīng)用的LDO,包括快速瞬態(tài)LDO、低輸入LDO、最低釋放LDO及高強(qiáng)度電流LDO.實(shí)例包括： MIC49150、MIC29150、MIC5235及MIC5283.

4.5直流/直流(DC/DC)開關(guān)穩(wěn)壓器

麥瑞也可提供大量高效直流/直流變流器。這些可用于輔助電源，包括MIC2605增壓和MIC4682降壓(步降)開關(guān)穩(wěn)壓器。

5 三相無(wú)刷直流電機(jī)的基本操作原理

無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)為同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子和線圈繞組中設(shè)有永久磁鐵。它們可在電機(jī)定子上產(chǎn)生電磁(參見(jiàn)圖5)。電氣端子直接連接至定子繞組;因此，轉(zhuǎn)子上未連接刷子或機(jī)械裝置(如有刷電機(jī))。BLDC電機(jī)使用直流電源和開關(guān)電路，在定子繞組上產(chǎn)生雙向電流。開關(guān)電路必須在每個(gè)繞組中使用一個(gè)高端開關(guān)和低端開關(guān)，因此一個(gè)BLDC電機(jī)共使用6個(gè)開關(guān)。

現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)采用固態(tài)開關(guān)，如MOSFET或IGBT,這取決于與繼電器相比時(shí)電機(jī)的速率和電壓。此外，還必須考慮成本、可靠性和尺寸(參見(jiàn)圖6)。開關(guān)電流產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)極性，可吸引相反極性，排斥相同極性。從而產(chǎn)生磁力，促使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。將永久磁鐵用于轉(zhuǎn)子可為設(shè)計(jì)師提供機(jī)械利益;并可減小尺寸，降低重量。與有刷電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)相比，BLDC電機(jī)的熱特性更優(yōu)，因而成為掀起機(jī)械系統(tǒng)節(jié)能新浪潮的理想選擇。

圖6 BLDC電機(jī)截面

BLDC通常使用三個(gè)相位(繞組)，每個(gè)相位具有120度的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電階段標(biāo)記一個(gè)步驟，任何時(shí)候只能由兩個(gè)繞組導(dǎo)通電流，第三個(gè)繞組懸空。未勵(lì)磁繞組可用作反饋控制，構(gòu)成無(wú)傳感器控制算法特征的基礎(chǔ)。

為了保持在轉(zhuǎn)子之前的定子內(nèi)部的磁場(chǎng)，并產(chǎn)生最佳扭矩，必須在精確的轉(zhuǎn)子位置完成從一個(gè)扇形區(qū)到另一個(gè)的過(guò)渡。通過(guò)每 60 度轉(zhuǎn)向的開關(guān)電路獲得最大扭矩。所有開關(guān)控制算法均包含在MCU中。微控制器可通過(guò)MOSFET驅(qū)動(dòng)器控制開關(guān)電路。MOSFET驅(qū)動(dòng)器包含適當(dāng)響應(yīng)時(shí)間(如 維持延遲及上升和下降時(shí)間)和驅(qū)動(dòng)能力(包括轉(zhuǎn)換MOSFET/IGBT “開”或“關(guān)”狀態(tài)所需的門驅(qū)動(dòng)電壓和電流同步)。

轉(zhuǎn)子位置對(duì)于確定電機(jī)繞組換向所需的正確力矩非常重要。在精度要求較高的應(yīng)用中，可使用霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置速度和轉(zhuǎn)矩。在首要考慮成本的應(yīng)用中，逆電動(dòng)勢(shì) (EMF) 可用于計(jì)算位置、速度和轉(zhuǎn)矩。

逆電動(dòng)勢(shì)是指永久磁鐵在定子繞組中產(chǎn)生的電壓。電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況。共有三個(gè)可用于控制和反饋信號(hào)的主要逆電動(dòng)勢(shì)特征。第一，適用于電機(jī)速度的逆電動(dòng)勢(shì)等級(jí)。因此，設(shè)計(jì)師使用工作電壓至少為標(biāo)準(zhǔn)電壓的2倍的MOSFET驅(qū)動(dòng)器。第二，逆電動(dòng)勢(shì)信號(hào)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(shì)信號(hào)是對(duì)稱的。精確檢測(cè)交叉事件是執(zhí)行逆電動(dòng)勢(shì)算法的關(guān)鍵。逆電動(dòng)勢(shì)模擬信號(hào)可使用高壓運(yùn)算放大器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(廣泛應(yīng)用于最現(xiàn)代的微控制器)按每個(gè)混合信號(hào)電路轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的初始位置。首先啟動(dòng)電機(jī)，激勵(lì)兩個(gè)繞組，同時(shí)從逆電動(dòng)勢(shì)反饋回路進(jìn)行幾次測(cè)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(tǒng)操作BLDC電機(jī)。MCU可執(zhí)行伺服回路控制、計(jì)算、糾正、PID控制及傳感器管理(如逆電動(dòng)勢(shì)、霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速計(jì))(參見(jiàn)圖9)。這些數(shù)字控制器通常為8位或更高，需要EEPROM儲(chǔ)存固件，從而獲得設(shè)置所需電機(jī)速度、方向及維持電機(jī)穩(wěn)定性所需的算法。通常，MCU 可提供允許無(wú)傳感器電機(jī)控制構(gòu)架的ADC.該構(gòu)架可節(jié)省寶貴成本和電路板空間。MCU兼具較強(qiáng)可構(gòu)造性和靈活性，可滿足優(yōu)化應(yīng)用算法之所需。模擬IC可為MUC提供高效電源、電壓調(diào)整、電壓基準(zhǔn)，能夠驅(qū)動(dòng)MOSFET或IGBT及故障保護(hù)。采用這兩種技術(shù)均可高效地操作三項(xiàng)BLDC電機(jī)，且與感應(yīng)電機(jī)和有刷電機(jī)價(jià)格相當(dāng)。

圖9 閉環(huán)控制

6 結(jié)論

通過(guò)在關(guān)鍵任務(wù)子系統(tǒng)中使用 BLDC 電機(jī)，可減少重量。這意味著在車輛中應(yīng)用節(jié)約更多燃油。由于 BLDC 電機(jī)完全采用電子整流，因此更易于高速地控制電機(jī)的扭矩和 RPM.全球許多國(guó)家面臨著電網(wǎng)不足引起的有效功率不足。可以肯定的是，為了更有效地使用 BLDC 電機(jī)，少數(shù)國(guó)家正在提供補(bǔ)貼或正準(zhǔn)備提供補(bǔ)貼。BLDC 部署是在避免對(duì)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(jié)約全球?qū)氋F資源的趨勢(shì)之一。