高性能低功耗三相BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(kāi)關(guān)電路獲得最大扭矩。所有開(kāi)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(kāi)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(kāi)”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

總結(jié)

在許多市場(chǎng)和應(yīng)用中，向高效BLDC電機(jī)過(guò)渡的趨勢(shì)越來(lái)越普遍。這是由于BLDC電機(jī)用于以下優(yōu)勢(shì)：

· 高效(達(dá)75%，交流電機(jī)僅為40%)

· 熱量更少

· 更高可靠性(無(wú)電觸頭)

· 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)。

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?？梢钥隙ǖ氖牵瑸榱烁行У厥褂?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。