設(shè)計高性能低功耗三相無刷直流電機控制系統(tǒng)

BLDC 電機通過什么驅(qū)動?

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

a.大功率晶體管。這些通常是場效應(yīng)管 (MOSFET) 或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，可承受高壓(滿足電機的要求)。多數(shù)家電使用的電機功率為 1/2 至 3/4 馬力(1 馬力=734 瓦特)。因此，典型電流能力可達到 10A。對于高壓系統(tǒng)而言(通常 >350V)，可使用 IGBT。

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

c.反饋元件/控制。設(shè)計師應(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)速計及最簡單的“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。許多消費者電器通常使用反電動勢傳感的無傳感器技術(shù)。

d.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，以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而將數(shù)字信號發(fā)送至系統(tǒng) MCU。

e.MCU. 所有閉環(huán)控制系統(tǒng)(BLDC 電機幾乎一直屬于此群組)均需要 MCU，以實現(xiàn)伺服回路控制、計算、糾正、PID 控制機傳感器管理。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。

f.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/直流及運算放大器。

三相無刷直流電機的基本操作原理

無刷直流(BLDC) 電機為同步電機，轉(zhuǎn)子和線圈繞組中設(shè)有永久磁鐵。它們可在電機定子上產(chǎn)生電磁(參見圖 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械裝置(如有刷電機)。BLDC 電機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)電路必須在每個繞組中使用一個高端開關(guān)和低端開關(guān)，因此一個 BLDC 電機共使用 6 個開關(guān)。

現(xiàn)代電機設(shè)計采用固態(tài)開關(guān)，如MOSFET 或 IGBT，這取決于與繼電器相比時電機的速率和電壓。此外，還必須考慮成本、可靠性和尺寸(參見圖 2)。開關(guān)電流產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇艌鰳O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)計師提供機械利益;并可減小尺寸，降低重量。與有刷電機和感應(yīng)電機相比，BLDC電機的熱特性更優(yōu)，因而成為掀起機械系統(tǒng)節(jié)能新浪潮的理想選擇。

BLDC 通常使用三個相位(繞組)，每個相位具有120度的導(dǎo)通間隔(參見圖 3)。

由于為雙向電流，每個相位按照每個導(dǎo)通間隔有兩個步驟。這是一種鍍錫六步換向。例如，換向相序可為 AB-AC-BC-BA-CA-CB。每個導(dǎo)電階段標(biāo)記一個步驟，任何時候只能由兩個繞組導(dǎo)通電流，第三個繞組懸空。未勵磁繞組可用作反饋控制，構(gòu)成無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，并產(chǎn)生最佳扭矩，必須在精確的轉(zhuǎn)子位置完成從一個扇形區(qū)到另一個的過渡。通過每 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 MOSFET 驅(qū)動器控制開關(guān)電路。MOSFET 驅(qū)動器包含適當(dāng)響應(yīng)時間(如維持延遲及上升和下降時間)和驅(qū)動能力(包括轉(zhuǎn)換 MOSFET / IGBT “開”或“關(guān)”狀態(tài)所需的門驅(qū)動電壓和電流同步)。

轉(zhuǎn)子位置對于確定電機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)速計計算轉(zhuǎn)子的位置速度和轉(zhuǎn)矩。在首要考慮成本的應(yīng)用中，逆電動勢 (EMF) 可用于計算位置、速度和轉(zhuǎn)矩。