|
作者：麥瑞公司John T. Lee、Carlos Ribeiro和Miguel Mendoza 概要 如今，工程師將電機控制系統用于數字與模擬技術來應對過去面臨的挑戰，包括電機速度控制、旋轉方向、漂移及電機疲勞等。微控制器 (MCU) 的應用為當代工程師提供了動態控制電機動作的機會，從而使其能夠應對環境壓力和狀況。這有助于延長操作壽命并減少維修，從而降低成本。目前，電機制造商傾向于制造三相BLDC電機。原因在于BLDC電機不直接接觸換向器和電氣終端（有刷電機直接接觸），因而不僅可降低功耗增加扭矩，同時還可延長操作時間。遺憾的是，與有刷直流或交流電機相比，三相電機控制裝置更加復雜。此外，數字與模擬組件之間的關系變得非常重要。 本文將簡要探討在三相BLDC電機應用中使用模擬組件和微控制器時應考慮的問題。同時還將重點介紹適合在直流電壓從12V到300V不等的電源下驅動微控制器的電源管理裝置及功率電平位移器。 對BLDC電機的需求究竟源自何處？ 近來，設計師更喜歡使用高效的BLDC電機。這種趨勢適用于眾多市場和各種應用。目前，許多應用能夠或已經使用BLDC電機替代過時的交流電機或機械泵技術。使用BLDC電機的重要優勢包括： · 更高效（達 75%，交流電機僅為 40%） · 更少的熱量 · 高耐久性（無刷型，所以無磨損） · 可在危險環境下操作更加安全（無灰塵產生，而有刷電機則有）。 在主要子系統中使用BLDC電機還可降低整個系統重量。由于BLDC電機完全采用電子整流，因此更易于高速地控制電機的扭矩和RPM。全球政府正應對電網不足引起的有效功率不足。此外，全球許多地區必須應對需求高峰期產生的電源中斷。因此，這些國家正在提供補貼或準備發放補貼，以便更有效地使用BLDC電機。 表1：無刷直流電機的優勢 
戰略細分市場和應用 汽車 汽車市場中包含許多機械和液壓泵/移動控制裝置被替換的實例。具體應用包括燃油泵、動力轉向、座椅控制、汽車HVAC（暖通空調）頂窗運動及擋風玻璃的刮水電機等。據計算，轉換為BLDC電機后，可為每項上述功能節省約每加侖汽油多行駛一英里的能源。這需歸功于顯著的燃料節省及功率效率。
圖1：車窗玻璃升降器原理框圖 家電。家電市場中一些家電可得益于使用高效的BLDC電機。其中包括泵、風機、空調、攪拌器、手動工具及其它廚房用具。
圖2：攪拌器電機控制原理框圖 工業系統。多數泵、風機、空調、混合器及 HVAC 需要電機驅動。歐盟已經發布法令要求所有新的工業用具使用 BLDC 電機的三相“變頻驅動”。
圖3：空調原理框圖 大型家電。使用高效 BLDC 電機可減少許多洗衣機和干衣機的用電量。
圖4：洗衣機電機原理圖。 表2：無刷直流電機驅動的關鍵區
BLDC電機通過什么驅動？ 有幾種方法可用于驅動BLDC電機；一些基本系統要求如下所列： a. 大功率晶體管。這些通常是場效應管(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。對于高壓系統而言（通常 >350V），可使用IGBT。 b. MOSFET/IGBT驅動器。通常，可使用一組MOSFET/IGBT驅動器。可選擇“半橋”驅動器或三相驅動器。這些解決方案能夠操作的電壓必須為電機電壓的兩倍，以應對電機產生的逆電動勢 (EMF)。此外，這些裝置需要通過設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掉頂部晶體管。 c. 反饋元件/控制。設計師應在所有伺服控制系統中設置一些“反饋元件”。例如光學傳感器、霍爾效應傳感器、轉速計及最簡單的“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。 d. 模擬數字轉換器 在許多情況下，需要設置模擬數字裝置，以將模擬信號轉換為數字信號，從而將數字信號發送至系統MCU。 e. MCU. 所有閉環控制系統（BLDC電機幾乎一直屬于此群組）均需要MCU，以實現伺服回路控制、計算、糾正、PID控制機傳感器管理。這些數字控制器通常為16位，但是復雜性較低的應用可使用8位控制器。 f. 模擬功率/調節器/基準 除了上述組件以外，許多系統還包括輔助電源、電壓轉換及其他模擬設備，如管理器、LDO、直流/直流及運算放大器。
圖5：24V無刷直流電機控制的典型原理框圖。 麥瑞公司電機驅動器的優勢 a. 功率驅動器。麥瑞公司擁有適合業界應用的各種類型MOSFET/IGBT驅動器。主要參數包括： 快速脈沖延遲、閘電荷/控制的高峰值電流及工作電壓達85V。例如，麥瑞 MIC4604系列可承受的逆電動勢電機電壓達85V。 b. 電壓基準與管理器 麥瑞可提供一系列對操作MCU至關重要的裝置。實例包括： MIC811、MIC2775及MIC1232電壓管理器電路。 c. 運算放大器/比較儀 麥瑞擁有一系列低功率運算放大器與比較儀。這些裝置對于確保精確的伺服系統反饋控制至關重要。實例包括： MIC6270、MIC841N及MIC833。 d. LDO。麥瑞可提供行業中最廣泛應用的LDO，包括快速瞬態LDO、低輸入LDO、最低釋放LDO及高強度電流LDO。實例包括： MIC49150、MIC29150、MIC5235及MIC5283。 e. 直流/直流(DC/DC)開關穩壓器。麥瑞也可提供大量高效直流/直流變流器。這些可用于輔助電源，包括MIC2605增壓和MIC4682降壓（步降）開關穩壓器。 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，轉子和線圈繞組中設有永久磁鐵。它們可在電機定子上產生電磁（參見圖5）。電氣端子直接連接至定子繞組；因此，轉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電路，在定子繞組上產生雙向電流。開關電路必須在每個繞組中使用一個高端開關和低端開關，因此一個BLDC電機共使用6個開關。 現代電機設計采用固態開關，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6）。開關電流產生適當的磁場極性，可吸引相反極性，排斥相同極性。從而產生磁力，促使轉子旋轉。將永久磁鐵用于轉子可為設計師提供機械利益；并可減小尺寸，降低重量。與有刷電機和感應電機相比，BLDC電機的熱特性更優，因而成為掀起機械系統節能新浪潮的理想選擇。
圖6：BLDC電機截面 BLDC通常使用三個相位（繞組），每個相位具有120度的導通間隔（參見圖7）。
圖7：六步換向 由于為雙向電流，每個相位按照每個導通間隔有兩個步驟。這是一種鍍錫六步換向。例如，換向相序可為AB-AC-BC-BA-CA-CB。每個導電階段標記一個步驟，任何時候只能由兩個繞組導通電流，第三個繞組懸空。未勵磁繞組可用作反饋控制，構成無傳感器控制算法特征的基礎。 為了保持在轉子之前的定子內部的磁場，并產生最佳扭矩，必須在精確的轉子位置完成從一個扇形區到另一個的過渡。通過每 60 度轉向的開關電路獲得最大扭矩。所有開關控制算法均包含在MCU中。微控制器可通過MOSFET驅動器控制開關電路。MOSFET驅動器包含適當響應時間（如 維持延遲及上升和下降時間）和驅動能力（包括轉換MOSFET/IGBT “開”或“關”狀態所需的門驅動電壓和電流同步）。 轉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用中，可使用霍爾傳感器或轉速計計算轉子的位置速度和轉矩。在首要考慮成本的應用中，逆電動勢 (EMF) 可用于計算位置、速度和轉矩。 逆電動勢是指永久磁鐵在定子繞組中產生的電壓。電機轉子旋轉時會出現這種情況。共有三個可用于控制和反饋信號的主要逆電動勢特征。第一，適用于電機速度的逆電動勢等級。因此，設計師使用工作電壓至少為標準電壓的2倍的MOSFET驅動器。第二，逆電動勢信號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”中逆電動勢信號是對稱的。精確檢測交叉事件是執行逆電動勢算法的關鍵。逆電動勢模擬信號可使用高壓運算放大器和模擬數字轉換器（廣泛應用于最現代的微控制器）按每個混合信號電路轉化至MCU。每個至少需要一個ADC。
圖8：交叉事件 使用無傳感器控制時，啟用順序至關重要，這是由于MCU最初不確定轉子的初始位置。首先啟動電機，激勵兩個繞組，同時從逆電動勢反饋回路進行幾次測量，直到確定了精確位置。 通常可使用具有MUC的閉環控制系統操作BLDC電機。MCU可執行伺服回路控制、計算、糾正、PID控制及傳感器管理（如逆電動勢、霍爾傳感器或轉速計）（參見圖9）。這些數字控制器通常為8位或更高，需要EEPROM儲存固件，從而獲得設置所需電機速度、方向及維持電機穩定性所需的算法。通常，MCU 可提供允許無傳感器電機控制構架的ADC。該構架可節省寶貴成本和電路板空間。MCU兼具較強可構造性和靈活性，可滿足優化應用算法之所需。模擬IC可為MUC提供高效電源、電壓調整、電壓基準，能夠驅動MOSFET或IGBT及故障保護。采用這兩種技術均可高效地操作三項BLDC電機，且與感應電機和有刷電機價格相當。
圖9：閉環控制 總結 在許多市場和應用中，向高效BLDC電機過渡的趨勢越來越普遍。這是由于BLDC電機用于以下優勢： · 高效（達75%，交流電機僅為40%） · 熱量更少 · 更高可靠性（無電觸頭） · 可在危險環境下操作更加安全（無灰塵產生，而有刷電機則有）。 通過在關鍵任務子系統中使用 BLDC 電機，可減少重量。這意味著在車輛中應用節約更多燃油。由于 BLDC 電機完全采用電子整流，因此更易于高速地控制電機的扭矩和 RPM。全球許多國家面臨著電網不足引起的有效功率不足。可以肯定的是，為了更有效地使用 BLDC 電機，少數國家正在提供補貼或正準備提供補貼。BLDC 部署是在避免對我們的生活方式造成不利影響的前提下促進綠色環保，節約全球寶貴資源的趨勢之一。 |
