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一.概要 當今，工程師利用了數字和模擬技術(shù)克服了過(guò)去所有的挑戰，包括電機速度控制，旋轉方向，漂移和電機疲勞，使得電機控制系統被廣泛的使用。微處理器的應用也 使得這一代工程師有機會(huì )去動(dòng)態(tài)的控制電機的行為，目的是為了能響應環(huán)境壓力和限制。這將有助于更長(cháng)的運行壽命和降低維護成本。當前，電機制造商正傾向于三 相無(wú)刷直流電機。因為它們在更小的功耗下能提供更大的扭矩，和更長(cháng)的運行時(shí)間。這是因為不存在有刷電機直接接觸的換向器和電氣端子。遺憾的是，使用三相電 機控制增加了額外的復雜性，相比有刷直流電或交流電機，數字和模擬器件之間的關(guān)系變得非常重要。 這篇白皮書(shū)討論了在三相無(wú)刷直流電機應用中使用模擬器件和微控制器時(shí)，需要關(guān)注的重要因素。它也涵蓋了適合的電源管理器件和功率電平移位器。使微控制器驅動(dòng)電機的功率源從12V提升到300V的直流電壓。 誰(shuí)需要驅動(dòng)無(wú)刷直流電機呢？ 最近，設計者已經(jīng)喜歡使用更高效率的無(wú)刷直流電機了。這種趨勢是眾多市場(chǎng)和不同應用真實(shí)的線(xiàn)索，目前，能夠使用和已經(jīng)使用無(wú)刷直流電取代過(guò)時(shí)的交流電機或機械泵技術(shù)。使用無(wú)刷直流電機的重要好處包括： ? 高效率(75% VS.交流電機40%) ? 較少的熱量產(chǎn)生 ? 更高的可靠性(無(wú)電刷磨損) ? 危險環(huán)境中更安全的操作(沒(méi)有碳刷粉產(chǎn)生,而在有刷電機中有碳粉產(chǎn)生) 在關(guān)鍵的子系統中使用無(wú)刷直流電機也能降低整個(gè)系統的重量，因為無(wú)刷重量電機是完全采用電子化換向，這樣在更高的轉速時(shí)，能更簡(jiǎn)單的控制電機的扭矩和轉 速。世界各地的政府都在處理由于電網(wǎng)電力不足引起的有功功率赤字。此外，世界上還有很多地區必須在需求高峰季節進(jìn)行停電處理。結果是這些國家現在要么給予 補貼或準備為那些更高效使用無(wú)刷直流電機的進(jìn)行補貼。 表1 無(wú)刷直流電機的優(yōu)勢 細分市場(chǎng)和應用戰略 汽車(chē)：在 汽車(chē)市場(chǎng)上有很多實(shí)例，那些機械和液壓泵/運動(dòng)控制正在被慢慢取代。這一趨勢涵蓋的應用從燃油泵,電動(dòng)轉向,座椅控制,汽車(chē)HVAC(加熱通風(fēng)和空調), 天窗控制,擋風(fēng)玻璃雨刮電機及更多,通過(guò)切換為無(wú)刷直流電機，這些功能中的每一個(gè)，都能節省高達一英里每加侖。這種運動(dòng)背后的原因是明顯的節省燃油和能源 效率。 圖2 電動(dòng)車(chē)窗功能框圖 家庭應用：在家電市場(chǎng)有相當多的電器能從使用高效率的無(wú)刷直流電機中受益。這些電器包括泵、風(fēng)扇、空調、攪拌器、手提電動(dòng)工具和其他的廚房電器。 工業(yè)系統：大多數泵、風(fēng)扇、空調、攪拌機、空調機組都需要電機驅動(dòng)。歐盟已頒布了一項法令,要求所有新的工業(yè)電器使用BLDC電機的三相“逆變器驅動(dòng)”。 圖3 空調功能框圖 白色家電：通過(guò)使用更高效的 BLDC電機能夠減少許多衣服洗衣機和烘干機的用電。 圖4 洗衣機電動(dòng)機功能框圖 表2 無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器的重要應用領(lǐng)域 無(wú)刷電機的驅動(dòng)力是什么? 這里有幾種方法來(lái)驅動(dòng)無(wú)刷直流電機。下面列出了一些基本的系統要求: a. 功率晶體管：這些通常是能夠承受高電壓(與發(fā)動(dòng)機要求匹配)的MOSFET和IGBT。大多數家用電器使用能產(chǎn)生3/8馬力(1HP= 734 W)的電機。因此，典型的應用電流值為10A。高壓系統通常(> 350 V)則使用IGBT。 b. MOSFET/IGBT驅動(dòng)器：一 般來(lái)說(shuō),就是一組MOSFET或者IGBT的驅動(dòng)器。即可以選擇是三個(gè)“半橋”驅動(dòng)器或三相驅動(dòng)器。這些解決方案必須能夠處理來(lái)自電機的兩倍于電機電壓的 反電動(dòng)勢力(EMF)。此外,這些驅動(dòng)器應該提供通過(guò)時(shí)間和開(kāi)關(guān)控制保護功率晶體管,確保頂部晶體管在打開(kāi)底部晶體管之前已關(guān)閉。 c. 反饋元件/控制：在伺服控制系統中工程師應該設計有某種反饋元件。例如包括光學(xué)傳感器、霍爾效應傳感器、轉速表、成本最低的無(wú)傳感器的反向電動(dòng)勢傳感。各種反饋方法是非常用的,其取決于所需的精度、轉速、轉矩。許多消費領(lǐng)域應用通常尋求利用反電動(dòng)勢無(wú)傳感器技術(shù)。 d. 模數轉換器：在許多情況下, 為了將模擬信號轉換為數字信號，需要設計一個(gè)模數轉換器,它能將數字信號發(fā)送到單片機系統。 e. 單片機：所有閉環(huán)控制系統(無(wú)刷直流電機幾乎全部都是閉環(huán)控制系統)都需要一個(gè)單片機，該MCU負責伺服回路控制計算,修正PID控制和傳感器管理。這些數字控制器通常是16位，但并不復雜的應用程序可以使用8位控制器。 模擬電源/調節器/參考。除了上述組件外,許多系統包含電源，電壓調節器，電壓轉換,和其他模擬設備如監測器，LDO,DC-to-DC轉換器，和運算放大器。 模擬電源/調節器/參考：除了上述組件外,許多系統包含電源，電壓調節器，電壓轉換,和其他模擬設備如監測器，LDO,DC-to-DC轉換器，和運算放大器。 圖5 24 v無(wú)刷直流電機控制典型功能框圖 麥瑞在電機驅動(dòng)領(lǐng)域的優(yōu)勢 a, 功率驅動(dòng)。麥瑞有廣泛的MOSFET和IGBT驅動(dòng)器。關(guān)鍵參數包括快速脈沖延遲、高門(mén)電荷/控制的峰值電流和85V操作。如MIC4604產(chǎn)品族能夠承受85 V的反電動(dòng)勢電動(dòng)機電壓。 b, 參考電壓和監測。麥瑞這些設備提供了豐富的產(chǎn)品線(xiàn)在那些有單片機操作的場(chǎng)合。例子包括:MIC811,MIC2775,MIC1232電壓檢測。 c, 運算放大器和比較器。麥瑞擁有一系列的低功耗運算放大器和比較器。這些器件精密伺服系統反饋控制的關(guān)鍵。例子包括MIC6270,MIC841N,MIC833。 d, LDO。麥瑞提供業(yè)內廣泛的LDO包括最快的瞬態(tài)LDO,最低輸入LDO,最低壓差LDO，最高電流LDO。例子包括MIC49150,MIC29150,MIC5235,MIC5283。 e, DC-to-DC開(kāi)關(guān)調整器。麥瑞還提供了一個(gè)廣泛的DC-to-DC轉換器，具有最高的轉換效率。這些都是用于供電應用。例子包括MIC2605升壓和MIC4682降壓的開(kāi)關(guān)電源調整器。 三.相無(wú)刷直流電機的基本操作理論 圖6 無(wú)刷直流電機橫截面 無(wú)刷直流電機是同步電機,有永磁體存在于轉子和線(xiàn)圈繞組。他們產(chǎn)生電磁場(chǎng)在電動(dòng)機的定子中(參見(jiàn)圖6)。電氣終端直接連接到定子繞組;因此沒(méi)有電刷或機械 接觸到轉子，而電刷在有刷直流電機中是存在的。無(wú)刷直流電機使用直流電源和開(kāi)關(guān)電路來(lái)在定子繞組上產(chǎn)生雙向電流。開(kāi)關(guān)電路需要使用高邊開(kāi)關(guān)和低邊開(kāi)關(guān)為每 個(gè)繞組切換,合計六個(gè)開(kāi)關(guān)為一個(gè)無(wú)刷直流電機。 圖7 IGBT開(kāi)關(guān)電路 現代電機設計使用固態(tài)開(kāi)關(guān)MOSFET、IGBT等(見(jiàn)圖7)根據電動(dòng)機的速度和電壓的需求，相比繼電器。成本、可靠性和尺寸都必須考慮。開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生合 適的磁場(chǎng)極性吸引相反的磁極和排斥相同的磁極。這反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生另一個(gè)磁力使轉子旋轉。使用轉子上的永磁體為設計師提供了一個(gè)機械優(yōu)勢：減少尺寸和重量。無(wú) 刷直流電機特性提高了熱特性，相比于有刷電機和電磁感應電動(dòng)機,使其成為理想選擇，以便下一代機械系統的電能節約。 電機一般使用三相(繞組),每相繞組進(jìn)行間隔的120度(見(jiàn)圖8) 圖8 六步換向 因為電流是雙向的,每相都有兩個(gè)間隔。這就是所謂的六步換向。例如,可以AB-AC-BCBA-CA-CB變換相序。每個(gè)傳導階段是一步,任何時(shí)候只有兩個(gè)繞組傳導電流,離開(kāi)向第三繞組移動(dòng)。非勵磁繞組可以作為反饋控制，所需的基礎特征無(wú)傳感器控制算法。 保持定子中的磁場(chǎng)隨轉子的運動(dòng)方向產(chǎn)生最佳扭矩，從一個(gè)部分到另一個(gè)的過(guò)渡必須在準確的轉子位置發(fā)生。獲得最大扭矩是通過(guò)開(kāi)關(guān)電路在每60度進(jìn)行換向。所 有的開(kāi)關(guān)控制算法是植入在微控制器中的。微控制器可以通過(guò)MOSFET驅動(dòng)器控制開(kāi)關(guān)電路，其中包含合適的響應時(shí)間，如維持延遲，上升和下降時(shí)間，驅動(dòng)能 力包括柵極驅動(dòng)電壓和電流的同步需求來(lái)打開(kāi)MOSFET / IGBT的“開(kāi)”或“關(guān)”的狀態(tài)。 轉子的位置是確定正確的時(shí)刻換向電機繞組的關(guān)鍵。在有精度要求的應用中，霍爾傳感器或轉速表是用來(lái)計算位置，速度，和轉子的力矩。在成本是最重要的考慮因素的應用中，無(wú)傳感器技術(shù)，這是反電動(dòng)勢計算（EMF）-可以用來(lái)計算的位置，速度和扭矩。 反電動(dòng)勢的定義是在有永磁鐵的定子繞組產(chǎn)生的電壓。這發(fā)生在電機轉子轉動(dòng)時(shí)�？捎糜诳刂坪头答佇盘柕姆措妱�(dòng)勢的有三個(gè)重要特征，。第一個(gè)是反電動(dòng)勢的大小 是與電動(dòng)機速度成比例的。為此，設計師采用MOSFET驅動(dòng)器，可以在至少兩倍的電源電壓操作。第二個(gè)因素是，當速度增加時(shí)，反電動(dòng)勢的信號的斜率變大。 第三，反電動(dòng)勢信號是在交叉事件中對稱(chēng)。檢測交叉事件正是實(shí)施反電勢算法的關(guān)鍵。反向電動(dòng)勢模擬信號可以被傳輸到微控制器，每個(gè)混合信號電路采用高電壓運 算放大器和模擬-數字轉換器，它們被廣泛使用在大多數現代微控制器。每個(gè)繞組至少需要有一個(gè)模數轉換器，總共三個(gè)模數轉換器。 當采用無(wú)位置傳感器控制時(shí)，啟動(dòng)的順序是非常重要的，因為單片機天生就不知道轉子的轉子初始位置。第一步啟動(dòng)電機激勵2個(gè)繞組，在一個(gè)時(shí)間同時(shí)從幾個(gè)測量反電動(dòng)勢反饋回路，直到確定一個(gè)精確的位置。 直流電機一般使用一個(gè)閉環(huán)控制系統，需要一個(gè)單片機。單片機實(shí)現伺服環(huán)控制，計算，修正，PID控制，傳感器來(lái)檢測反電勢，霍爾傳感器，或轉速表。這些數 字控制器一般都是8位或更高要求的EEPROM來(lái)存儲固件，該算法是設定電機的速度，方向，和保持電機穩定性必須的。單片機通常提供了模數轉換器，允許無(wú) 傳感器電機控制結構。這種架構可以節省寶貴的電路板空間和成本。單片機的特點(diǎn)是可構造性和必要的靈活性，以?xún)?yōu)化應用程序的算法。模擬集成電路可以給單片機 高效電源，電壓調整器，參考電壓，驅動(dòng)MOSFET或IGBT的能力，以及故障保護。這兩種技術(shù)都可以高效的操作三相無(wú)刷直流電機，在感應電機和有刷電機 有可比的價(jià)格點(diǎn)。 結論 在許多市場(chǎng)和應用中，需要遷移到高效的無(wú)刷直流電機變得越來(lái)越普遍。這是由于某些關(guān)鍵的好處： ? 效率更高（75% vs.交流電機的40%） ? 低熱量的產(chǎn)生 ? 可靠性高（無(wú)電氣觸點(diǎn)） ? 在危險的環(huán)境中安全操作（無(wú)碳刷粉塵產(chǎn)生在有刷電機中有）。 通過(guò)在關(guān)鍵子系統中使用無(wú)刷直流電機，可以減少整體重量。這意味著(zhù)在汽車(chē)應用時(shí)提供更好的燃油經(jīng)濟性。由于直流電機完全電子換向，在更高的速度時(shí)，它更容 易控制電機的轉矩和轉速。在世界各地，許多國家都面臨著(zhù)電力不足，原因是電網(wǎng)不足�？梢钥隙ǖ氖�，少數國家現在要么給予補貼或準備為那些更有效利用無(wú)刷直 流電機的提供補貼。無(wú)刷直流電機BLDC的部署，不過(guò)是尋求拯救綠色倡議，節約世界上最寶貴的資源的多種趨勢中的一種，而不會(huì )不利地影響我們的生活方式。 |
