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如何控制無刷直流電機(jī)

發(fā)布時間:2023-04-28 來源:貿(mào)澤電子 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】無刷直流(BLDC)電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)設(shè)備和汽車等領(lǐng)域。相對于傳統(tǒng)有刷電機(jī),雖然無刷直流電機(jī)能夠提供更可靠和免維護(hù)的替代方案,但卻需要更復(fù)雜的電子設(shè)備來進(jìn)行驅(qū)動。本文將探討驅(qū)動無刷直流電機(jī)的多種不同技術(shù)、傳感器方案以及使用的流行算法。此外,還將介紹一些來自領(lǐng)先供應(yīng)商的電機(jī)驅(qū)動器IC以及合適的開發(fā)和原型設(shè)計資源。


無刷電機(jī)應(yīng)用


在過去十年中,無刷直流電機(jī)已經(jīng)變得非常流行,它的應(yīng)用可能比Wi-Fi更加普遍,無論在家里、辦公室,還是在汽車等周圍場景中,您可能都會驚訝地發(fā)現(xiàn)這些無刷直流電機(jī)。Allied Market Research估計,到2030年,全球無刷直流電機(jī)市場將從2020年的332億美元增至722億美元(參見圖1),其《2030年無刷直流電機(jī)市場研究》報告預(yù)測,所有額定功率電機(jī)的復(fù)合年增長率為10.3%,其中750~3000W類別的無刷直流電機(jī)復(fù)合年增速最為顯著。


1680086537951111.png圖1:Allied Market Research(AMR) 發(fā)布的2020~2030年無刷直流電機(jī)市場增長趨勢。(來源:AMR,https://www.alliedmarketresearch.com/brushless-dc-motors-market,已獲請求許可)


無刷直流電機(jī)適用于多種不同應(yīng)用,包括電池供電的電動工具、家用吸塵器、無線遙控?zé)o人機(jī)和電動汽車,以及從傳送帶到生產(chǎn)機(jī)器人等數(shù)百種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。


無刷直流電機(jī)由于其低維護(hù)特性而受到歡迎,它們的能效也很高,通常高達(dá)92%,比同等尺寸的有刷電機(jī)高出至少10%至15%。此外,由于沒有任何電刷摩擦,BLDC能夠以更高的速度運(yùn)行。去除電刷也有助于實現(xiàn)更緊湊的尺寸,具有較低的可聽噪聲,并可顯著降低EMI。這些特性使它們成為電動汽車的理想動力傳動部件,因為在電動汽車中,高扭矩和高速性能至關(guān)重要。


然而,BLDC所具有的優(yōu)勢也需要與其較高的成本和復(fù)雜的驅(qū)動要求一同考慮。圖2比較了流行的不同種類電機(jī)配置,顯示了它們的優(yōu)缺點。盡管無刷直流電機(jī)操作和定子繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有不同,但它們與永磁同步電機(jī)(PMSM)很相似。


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圖2:用以說明流行直流電機(jī)主要優(yōu)缺點的產(chǎn)品類型。(來源:Qorvo)


無刷直流電機(jī)如何工作?


在探討B(tài)LDC和PMSM如何工作之前,讓我們簡要介紹一些基本的電機(jī)術(shù)語:


繞組:繞組是指放置在定子或轉(zhuǎn)子上的銅線線圈,它們起著電磁鐵的作用,可根據(jù)電流的方向產(chǎn)生磁場。圖2中無刷直流電機(jī)的三個繞組可以串聯(lián)連接構(gòu)建單相電機(jī),也可以單獨連接構(gòu)建三相無刷直流電機(jī)。


轉(zhuǎn)子:轉(zhuǎn)子是指電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。轉(zhuǎn)子周圍的繞組通過有刷電機(jī)電刷接收能量。在無刷電機(jī)中繞組是在定子上,永磁鐵圍繞著轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子和定子之間存在微小氣隙。


定子:定子是外殼電機(jī)的非旋轉(zhuǎn)部分。圖2中顯示了有刷電機(jī)的定子磁極。如果與BLDC比較,BLDC中的定子包含非旋轉(zhuǎn)繞組。


換向:通過改變繞組中電流方向以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。


反電動勢:反電動勢是繞組在通過磁場時產(chǎn)生的電能。在無刷直流電機(jī)情況下,反電動勢來自轉(zhuǎn)子的永久磁鐵,它可用于感應(yīng)轉(zhuǎn)子相對于定子繞組的位置,從而驅(qū)動換向過程。


永磁同步電機(jī)和無刷直流電機(jī)之間的區(qū)別主要在于其定子繞組的形狀,以及由此產(chǎn)生的反電動勢波形特性(參見圖3)。


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圖3:BDLC和PMSM電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢波形比較。(來源:Qorvo)


電機(jī)驅(qū)動算法和傳感器


實現(xiàn)無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)需要通過對施加到定子繞組的驅(qū)動信號進(jìn)行換向?;诎雽?dǎo)體器件的電機(jī)驅(qū)動控制器(通常稱為驅(qū)動器)產(chǎn)生波形,波形的數(shù)量和形狀取決于電機(jī)類型和相數(shù)。如圖3所示,與永磁同步電機(jī)采用的具有磁場定向控制(FOC)正弦方法相比,無刷直流電機(jī)適合梯形驅(qū)動波形。在三相PMSM中,換向利用三個正弦波波形,相位彼此相差120度。BLDC電機(jī)也可以使用正弦波形來驅(qū)動。


無論是使用FOC還是梯形驅(qū)動器,有效的轉(zhuǎn)子控制都需要精確地知道轉(zhuǎn)子相對于定子繞組的位置,這能夠為電機(jī)驅(qū)動提供重要的反饋,以便更好地控制電機(jī)速度和扭矩。位置信息決定驅(qū)動信號的順序、時間和頻率。


確定轉(zhuǎn)子位置的方法有兩種:傳感器或無傳感器。


傳感器:霍爾效應(yīng)傳感器可布置在每個定子繞組旁邊(參見圖2中的藍(lán)色小方塊),在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時可檢測磁場極性的變化(N到S,S到N)。每個三相電機(jī)需要三個傳感器。


無傳感器:無傳感器方法使用反電動勢來確定轉(zhuǎn)子位置,而不是使用傳感器。


兩種感測方法各有利弊。使用霍爾效應(yīng)傳感器會涉及額外的零部件成本和更多的組裝時間,但采用傳感器感測的BLDC/PMSM電機(jī)可提供優(yōu)異的扭矩、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動和更高效率。永磁同步電機(jī)的驅(qū)動控制器往往更復(fù)雜,采用FOC需要使用傳感器。


無傳感器方法在無刷直流電機(jī)中很普遍,會使電機(jī)達(dá)到比較誘人的低價格,但要求算法根據(jù)定子繞組中感應(yīng)的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子位置。無傳感器BLDC電機(jī)的一個很大挑戰(zhàn)出現(xiàn)在啟動時,由于沒有任何運(yùn)動,就沒有反電動勢,所以計算轉(zhuǎn)子的位置必須用另一種方法。通常,高頻驅(qū)動信號被饋送到每個相繞組,通過特定算法相應(yīng)地計算位置。


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圖4:一個三相BLDC電機(jī)簡化圖,其中使用霍爾效應(yīng)傳感器創(chuàng)建換向過程,并對逆變器操作進(jìn)行排序。(來源:Qorvo)


圖4突出顯示了使用霍爾效應(yīng)傳感器(HSW、HSV和HSU)的一個簡單三相BLDC電機(jī)配置。傳感器基本上是數(shù)字開關(guān),指示檢測到的磁場極性,N等于“1”,S等于“0”。三個傳感器的輸出組合在一起,給出一個3位數(shù)字邏輯“操作碼(opcode)”,在它變化時指示轉(zhuǎn)子的位置和方向,這些信息是三相功率晶體管逆變器級提供驅(qū)動信號的基礎(chǔ)。對于功率相對較低的BLDC應(yīng)用,傳感器接口、電機(jī)控制器和驅(qū)動晶體管通常集成在單個控制器IC中。而高功率電機(jī)則通常采用來自控制器IC的柵極驅(qū)動輸出,并采用配備有散熱器的功率MOSFET來實現(xiàn)所需的驅(qū)動電流。


為了改變電機(jī)的速度,可通過脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來改變占空比(duty cycle),即脈沖開/關(guān)的比率。這種方法可以限制啟動電流,因而在電機(jī)啟動期間采用也可提供很大優(yōu)勢。


BLDC電機(jī)驅(qū)動IC和開發(fā)資源


圖5所示為一個低功率無傳感器三相BLDC電機(jī)驅(qū)動器TI DRV10963的功能框圖,該IC包含三個功率MOSFET,適合于最高5V/0.5A的BLDC電機(jī),可用于驅(qū)動筆記本電腦和高性能處理器上使用的冷卻風(fēng)扇。DRV10963具有短路和過流保護(hù)功能,通過多路復(fù)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)監(jiān)測每個MOSFET的電流和電壓。PWM輸入可以用來控制并達(dá)到期望的電機(jī)速度?!癋R”輸入允許在啟動時改變電機(jī)方向,“FG”輸出提供電機(jī)速度信息。


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圖5:TI DRV10963 5V三相無傳感器BLDC電機(jī)驅(qū)動器功能框圖。(來源:TI)


Microchip可提供全面的單芯片BLDC電機(jī)驅(qū)動器和柵極驅(qū)動器IC系列,MCP8063就是其中一例,它是一種三相無刷正弦無傳感器電機(jī)驅(qū)動器,專為汽車?yán)鋮s風(fēng)扇和多種泵應(yīng)用而設(shè)計。


Qorvo PAC5532電源控制器適用于廣泛的高速消費產(chǎn)品、工業(yè)和汽車中的電機(jī)控制等應(yīng)用,包括電池供電電動工具、電動自行車和輕型混合動力汽車等。PAC5532適用于48~120VDC系統(tǒng),集成有150MHz Arm Cortex-M4F 32位內(nèi)核,具有全面且可配置的電源管理和驅(qū)動功能(參見圖6)。


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圖6:電池供電電機(jī)控制應(yīng)用中Qorvo PAC5532的簡化配置框圖。(來源:Qorvo)


Qorvo PAC5532EVK1評估套件可為PAC5532提供補(bǔ)充支持。


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圖7(來源:Qorvo)列出了評估套件的主要組件,包括PAC5532和三相半H橋(half H-bridge)逆變器組件?;贕UI的軟件開發(fā)工具包可從Qorvo網(wǎng)站下載。


另一款電機(jī)控制IC是高性能Renesas RA6T2微控制器系列。該IC基于240MHz Arm Cortex-M33微控制器內(nèi)核,包括一個基于硬件的加速器,用于加速復(fù)雜的電機(jī)控制算法和運(yùn)行安全加密功能。它還集成了一組非常齊全的模擬功能,包括一個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、一個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、可編程增益放大器和高速比較器(參見圖8)。


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圖8:基于Renesas RA6T2微控制器的電機(jī)控制器功能框圖。(來源:Renesas)


Renesas MCK-RA6T2評估套件可針對無刷電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計提供一種方便實用的原型制作方法。該套件包括三個連接板:逆變器板、微控制器板和通信板,還包括一個小型無刷直流電機(jī)以及所有必需的電纜。MCK-RA6T2的功能架構(gòu)如圖9所示。


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圖9:Renesas MCK-RA6T2無刷電機(jī)評估套件的功能框圖。(來源:Renesas)


開始BLDC電機(jī)控制設(shè)計


在本文中,我們探討了無刷電機(jī)如何運(yùn)行,討論了它們受市場歡迎的主要原因,并著重介紹了一些應(yīng)用案例。上面介紹的領(lǐng)先半導(dǎo)體解決方案為您提供了一種使用方便,有充分文檔支持,且值得信賴的技術(shù)途徑,能夠幫助您開始首個BLDC/PMSM設(shè)計。



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