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          無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動:設(shè)計(jì)考慮因素和挑戰(zhàn)

          作者: 時(shí)間:2023-03-14 來源:Qorvo 收藏

          電機(jī)最早出現(xiàn)在十八世紀(jì),之后迅速全面普及,根據(jù)國際能源署 IEA-4E 組織 EMSA 數(shù)據(jù),其消耗了全球生產(chǎn)能源的一半以上,數(shù)據(jù)來源:Electric Motor Systems - 4E Energy Efficient End-use Equipment (iea-4e.org)。國際能源署(IEA) 也表示,通常 95% 的電機(jī)生命周期成本,來自為其提供動力的電力,因此任何能夠提高電機(jī)運(yùn)行效率的技術(shù)方法都會受市場歡迎。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202303/444375.htm


          “智能” 控制就可以做到這一點(diǎn),它不僅使電機(jī)在工作中更加靈活、高效,還能降低運(yùn)行成本和能源消耗,減少環(huán)境影響或延長電池壽命。


          此外還通過立法促使解決這個(gè)問題。例如,IEC 60034-30-1 規(guī)定了由電網(wǎng)側(cè)供電的交流電機(jī)應(yīng)達(dá)到的能效等級。


          常用的電機(jī)類型


          根據(jù)應(yīng)用場景的不同,使用的電機(jī)類型也各種各樣。


          以一個(gè)典型的西方富裕家庭為例, 估計(jì)這個(gè)家里可能有 14 臺有刷直流電機(jī)、26 臺、48 臺交流感應(yīng)電機(jī)和 4 臺通用交流-直流電機(jī)??偣灿?31 個(gè)電池供電和 61 個(gè)電網(wǎng)供電。


          交流感應(yīng)電機(jī)相對簡單且可靠,因此在家用市場和工業(yè)領(lǐng)城均占主導(dǎo)地位。


          正常情況下,它們成本低,沒有電刷磨損,速度有一些 “轉(zhuǎn)速差”,也就是說,它們幾乎與交流驅(qū)動同頻或是其的倍頻。


          單相電機(jī)需要特殊的啟動方法,效率不高,但用途廣泛,而三相電機(jī)支持自啟動,運(yùn)行效率更高,使交流感應(yīng)電機(jī)非常適合泵和風(fēng)扇等恒定負(fù)載/速度應(yīng)用。


          如果需要變速,可以使用變頻驅(qū)動 (VFD),但在 “標(biāo)準(zhǔn)” 電機(jī)中添加變頻驅(qū)動功能時(shí),可能會出現(xiàn)絕緣應(yīng)力、EMI 和共模電流流過電機(jī)本體等問題。


          對于直流或通用交流轉(zhuǎn)直流電源,電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),其電刷通過依次給線圈通電來強(qiáng)制換向和旋轉(zhuǎn)。這些電機(jī)成本低,性能優(yōu),啟動轉(zhuǎn)矩大,因此在小型工具和電器中很受歡迎。


          然而,電刷確實(shí)會磨損,而且通常產(chǎn)生高壓電弧和可聽噪音。通過改變直流或交流電源電壓,或通過交流相位角控制來實(shí)現(xiàn)具有可選閉環(huán)調(diào)節(jié)的速度控制,這些通常效率較差,但為勵(lì)磁線圈分接開關(guān)提供了可能。


          目前常用的電機(jī)類型是 (BLDC),是基于有刷直流電機(jī)改進(jìn)而來,可以去除電刷。


          此類電機(jī)的性能更好,效率更高,壽命更長。


          缺點(diǎn)是必須由 VFD(交頻驅(qū)動)提供多相交流電源,但確實(shí)可提供速度和轉(zhuǎn)矩控制,并根據(jù)負(fù)載要求調(diào)整這些參數(shù),從而節(jié)省能源、提升工藝效率,以上這些優(yōu)點(diǎn)可以迅速抵消 VFD 的初始成本。因此,BLDC 電機(jī)在電池供電型手持工具以及交流電源 (輸入經(jīng)整流和功率因數(shù)校正后作為 VFD 電源)供電的電器中頗受青睞。


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          圖 1. 相同機(jī)架尺寸的電機(jī)性能比較(來源:Groschopp)


          上述部分電機(jī)類型的主要特性如圖 1 所示,所有電機(jī)的物理尺寸相同。


          BLDC電機(jī)


          現(xiàn)在來觀察分析 BLDC 電機(jī)及其驅(qū)動,圖 2 顯示了三相電機(jī)的線圈通電順序。


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          圖 2. 一個(gè)簡單的三相 BLDC 電機(jī)與驅(qū)動開關(guān)的順序


          施加電壓存在一定的 “死區(qū)” 時(shí)間,原因在于開關(guān)的橋式布局(圖 3)可以是 IGBT 或 MOSFET,但越來多的使用 SiC FET 這樣的寬帶隙器件(如圖所示)。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),開關(guān)管的切換由軸傳感器或其它方法觸發(fā),轉(zhuǎn)子角度、速度和電流的反饋可用于控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動,這會導(dǎo)致不必要的振動。


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          圖 3. BLDC 電機(jī)有三相橋式開關(guān)驅(qū)動,以 SiC FET為例


          如果沒有反饋,電機(jī)將旋轉(zhuǎn)達(dá)到系統(tǒng)延遲和線圈電感允許的最大速度,隨著轉(zhuǎn)速增加,每一個(gè)較短周期的開關(guān)動作都會降低峰值電流,從而使轉(zhuǎn)矩減小。


          在實(shí)現(xiàn) BLDC 電機(jī)控制的過程中涉及許多變量,包括所需的最大和間歇轉(zhuǎn)矩、功率、速度范圍、工作電壓、反饋傳感器類型及其電壓等級等等。


          這些定義了驅(qū)動所需的電壓和頻率范圍,及其峰值和連續(xù)額定功率,包括故障和過載。


          控制器獲取相應(yīng)的反饋和狀態(tài)信息,并通過算法根據(jù)時(shí)序和載波頻率調(diào)制向開關(guān)提供優(yōu)化的柵極驅(qū)動信號,以設(shè)定速度和轉(zhuǎn)矩。


          BLDC電機(jī)的控制


          三相 BLDC 電機(jī)可以將線圈分段控制,任何時(shí)候都保持兩個(gè)線圈通電,第三個(gè)線圈 “懸空”。懸空繞組以梯形波形顯示反電動勢(圖 4,左),其過零點(diǎn)可用于確定轉(zhuǎn)子的角度位置,這種方法成本低、精度高,但霍爾效應(yīng)傳感器允許在重載條件下啟動,這種響應(yīng)很難通過傳統(tǒng)的無傳感器算法獲得。


          從機(jī)械角度看,分離式線圈是非常簡單的布局,但確實(shí)會產(chǎn)生一些轉(zhuǎn)矩波動。


          如果將線圈繞在定子周圍,反電動勢可以是正弦波(圖 4,右),理論上沒有轉(zhuǎn)矩波動。


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          圖 4. BLDC 和永磁同步電機(jī)的反電動勢和 PWM 驅(qū)動波形


          在實(shí)踐中,可以達(dá)到 1% 左右,但峰值轉(zhuǎn)矩和功率密度低于梯形反電動勢。


          這種布局就是 “永磁同步電機(jī)”(PMSM),要求所有的繞組在任何時(shí)候都要通電,因此浮動繞組的位置信息不可用,通常需要一個(gè)單獨(dú)的軸傳感器。


          無論哪種情況,PWM 驅(qū)動調(diào)制都會設(shè)置為分別與梯形或正弦匹配,以獲得最佳性能。


          六步梯形波控制更容易實(shí)現(xiàn),能夠以高轉(zhuǎn)矩啟動,并適用于非常高的速度,比如在電動工具中就很有用。


          基本形式的 PMSM,其制造成本較高,啟動轉(zhuǎn)矩較低,驅(qū)動更復(fù)雜,但速度控制更穩(wěn)定,適合換氣風(fēng)扇等應(yīng)用。


          有些方案從梯形波驅(qū)動啟動,并隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)切換到正弦驅(qū)動,為了獲得最佳性能,可將光學(xué)編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器用于 PMSM,以取代霍爾傳感器。


          磁場定向貨矢量控制


          為了利用 PMSM 實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能,可以使用 “矢量” 或 “磁場定向控制” (FOC)。


          對于使用能耗更低的小型電機(jī),這有助于實(shí)現(xiàn)零速滿轉(zhuǎn)矩啟動、平穩(wěn)運(yùn)行、快速加速/ 減速和更好的精度。


          傳感器可以提供轉(zhuǎn)子位置反饋,或者采用 “無傳感器” 方案,通過電機(jī)特性模型使用繞組電流和電壓。


          然而,F(xiàn)OC(磁場定向控制)很復(fù)雜,需要較強(qiáng)的數(shù)字處理能力,問題在于啟動時(shí)無法獲取轉(zhuǎn)子位置信息,因此,在傳感器提供有效反饋之前,通常會應(yīng)用開環(huán)初始驅(qū)動。為了提供出色的性能,F(xiàn)OC 需要從轉(zhuǎn)子位置和繞組電流中得出磁鏈和轉(zhuǎn)矩值。


          通過 “克拉克變換” 方法將三相繞組電流轉(zhuǎn)換為兩相等效電流,然后使用 “帕克變換” 和旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo),從而得出控制參數(shù)、磁鏈和轉(zhuǎn)矩。


          將目標(biāo)值與補(bǔ)償反鎖信號比較,其差值送入比例 -積分 (PI) 控制器。


          該信號通過反向克拉克和帕克變換過程,為橋式驅(qū)動電路中的開關(guān)產(chǎn)生驅(qū)動信號,應(yīng)用 PWM 以形成正弦電流,其有效值對應(yīng)于所需轉(zhuǎn)矩。圖 5 為該方案示意圖。


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          圖 5. BLDC 電機(jī)的 “矢量” 或 FOC 控制。


          的BLDC電機(jī)控制解決方案


          驅(qū)動 BLDC 電機(jī)以獲得最佳性能的所有復(fù)雜性操作,包括磁場定向控制,現(xiàn)在可以在 Qorvo 的 PAC5xxx 系列電源應(yīng)用控制器(PACTM) 中實(shí)現(xiàn)。該單芯片解決方案包括所有可能需要的控制參數(shù)的接口,并提供高達(dá) 600V 額定電壓且具有高峰值電流的驅(qū)動能力,以滿足電池供電和電網(wǎng)整流供電的要求。


          固件可以遠(yuǎn)程配置和更新,還包括一個(gè) “自動調(diào)試” 模式,可針對特定的電機(jī)進(jìn)行微調(diào)操作。


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          圖 6. Qorvo 的 PACTM 系列 BLDC 控制器


          PAC5xxx 系列基于 Arm? Cortex?-M4F 內(nèi)核,運(yùn)行頻率為 150Mhz,搭載 32kB SRAM 和 128kB 閃存,配備 12 位 2.5MSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC);或基于 Arm? Cortex?-Mo,運(yùn)行頻率為 50Mhz,搭載 8kB SRAM 和 32kB 閃存,配備 10 位 1MSPS ADC(圖 6)。


          這些方案包括內(nèi)部開關(guān)和線性穩(wěn)壓器,節(jié)省了電路板空間和 BOM 成本??膳渲媚M前端 (CAFE)包括單端和差分可編程增益運(yùn)算放大器、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和 I/O 電路。


          具有可互連和可編程的信號采樣、反饋放大以及多個(gè)模擬輸入信號的傳感器監(jiān)測功能。


          低功率等級版本型號 PAC5285 還集成了功率 MOSFET,形成一個(gè)驅(qū)動橋,為手持設(shè)備和工具等 BLDC 應(yīng)用提供了緊湊型解決方案。


          所有 PACTM 系列器件都具有全國的保護(hù)功能,包括過電流、過電壓、欠電壓和超溫保護(hù)。


          為了展示這些控制器的功能,Qorvo PAC5223 芯片為無人機(jī)電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用提供了參考設(shè)計(jì),是一個(gè) “微型” FOC 解決方案,尺寸只有 9mm x 15mm,輸出電流的有效值高達(dá) 17A,輸入電壓為 4.5V-18V。


          另一個(gè)參考設(shè)計(jì) RD5223PT 展示了 PAC5223 如何用于電動工具,其 PCB 尺寸為 60mm x 25mm,可以裝配到工具的手柄中。圖 7 支持的峰值電流為 25A RMS/300W。所有參考設(shè)計(jì)都提供原理圖、布局圖和 BOM。


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          圖 7. 用于電動工具的 Qorvo BLDC 電機(jī)驅(qū)動參考設(shè)計(jì),峰值功率為 300W


          Qorvo 的 PAC 系列芯片是硬件生態(tài)系統(tǒng)的一部分,還具有完整的數(shù)據(jù)手冊、參考軟件、可配置圖形界面和用戶指南、應(yīng)用筆記和軟件開發(fā)套件。


          結(jié)論


          在價(jià)格敏感的電動工具、小家電和無人機(jī)應(yīng)用中,因?yàn)閺?fù)雜的驅(qū)動和傳感系統(tǒng)阻礙 BLDC 電機(jī)的應(yīng)用,而這些電機(jī)在尺寸、重量、轉(zhuǎn)矩和可控性方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。


          現(xiàn)在,Qorvo 在其 PACTM 器件系列中提供的集成驅(qū)動解決方案以低成本,高性能控制器打破了這一障礙,再加上全方位的支特,在終端產(chǎn)品中實(shí)施將會更輕松快捷。


          本文作者:Jose Quinones,Qorvo 應(yīng)用工程師




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