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一.概要 當今，工程師利用了數(shù)字和模擬技術(shù)克服了過去所有的挑戰(zhàn)，包括電機速度控制，旋轉(zhuǎn)方向，漂移和電機疲勞，使得電機控制系統(tǒng)被廣泛的使用。微處理器的應(yīng)用也 使得這一代工程師有機會去動態(tài)的控制電機的行為，目的是為了能響應(yīng)環(huán)境壓力和限制。這將有助于更長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，和更長的運行時間。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(fù)雜性，相比有刷直流電或交流電機，數(shù)字和模擬器件之間的關(guān)系變得非常重要。 這篇白皮書討論了在三相無刷直流電機應(yīng)用中使用模擬器件和微控制器時，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(qū)動電機的功率源從12V提升到300V的直流電壓。 誰需要驅(qū)動無刷直流電機呢？ 最近，設(shè)計者已經(jīng)喜歡使用更高效率的無刷直流電機了。這種趨勢是眾多市場和不同應(yīng)用真實的線索，目前，能夠使用和已經(jīng)使用無刷直流電取代過時的交流電機或機械泵技術(shù)。使用無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(無電刷磨損) ? 危險環(huán)境中更安全的操作(沒有碳刷粉產(chǎn)生,而在有刷電機中有碳粉產(chǎn)生) 在關(guān)鍵的子系統(tǒng)中使用無刷直流電機也能降低整個系統(tǒng)的重量，因為無刷重量電機是完全采用電子化換向，這樣在更高的轉(zhuǎn)速時，能更簡單的控制電機的扭矩和轉(zhuǎn) 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(qū)必須在需求高峰季節(jié)進行停電處理。結(jié)果是這些國家現(xiàn)在要么給予 補貼或準備為那些更高效使用無刷直流電機的進行補貼。 表1 無刷直流電機的優(yōu)勢 細分市場和應(yīng)用戰(zhàn)略 汽車：在 汽車市場上有很多實例，那些機械和液壓泵/運動控制正在被慢慢取代。這一趨勢涵蓋的應(yīng)用從燃油泵,電動轉(zhuǎn)向,座椅控制,汽車HVAC(加熱通風和空調(diào)), 天窗控制,擋風玻璃雨刮電機及更多,通過切換為無刷直流電機，這些功能中的每一個，都能節(jié)省高達一英里每加侖。這種運動背后的原因是明顯的節(jié)省燃油和能源 效率。 圖2 電動車窗功能框圖 家庭應(yīng)用：在家電市場有相當多的電器能從使用高效率的無刷直流電機中受益。這些電器包括泵、風扇、空調(diào)、攪拌器、手提電動工具和其他的廚房電器。 工業(yè)系統(tǒng)：大多數(shù)泵、風扇、空調(diào)、攪拌機、空調(diào)機組都需要電機驅(qū)動。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(qū)動”。 圖3 空調(diào)功能框圖 白色家電：通過使用更高效的 BLDC電機能夠減少許多衣服洗衣機和烘干機的用電。 圖4 洗衣機電動機功能框圖 表2 無刷直流電機驅(qū)動器的重要應(yīng)用領(lǐng)域 無刷電機的驅(qū)動力是什么? 這里有幾種方法來驅(qū)動無刷直流電機。下面列出了一些基本的系統(tǒng)要求: a. 功率晶體管：這些通常是能夠承受高電壓(與發(fā)動機要求匹配)的MOSFET和IGBT。大多數(shù)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(yīng)用電流值為10A。高壓系統(tǒng)通常(> 350 V)則使用IGBT。 b. MOSFET/IGBT驅(qū)動器：一 般來說,就是一組MOSFET或者IGBT的驅(qū)動器。即可以選擇是三個“半橋”驅(qū)動器或三相驅(qū)動器。這些解決方案必須能夠處理來自電機的兩倍于電機電壓的 反電動勢力(EMF)。此外,這些驅(qū)動器應(yīng)該提供通過時間和開關(guān)控制保護功率晶體管,確保頂部晶體管在打開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(tǒng)中工程師應(yīng)該設(shè)計有某種反饋元件。例如包括光學傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器、轉(zhuǎn)速表、成本最低的無傳感器的反向電動勢傳感。各種反饋方法是非常用的,其取決于所需的精度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。許多消費領(lǐng)域應(yīng)用通常尋求利用反電動勢無傳感器技術(shù)。 d. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器：在許多情況下, 為了將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，需要設(shè)計一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器,它能將數(shù)字信號發(fā)送到單片機系統(tǒng)。 e. 單片機：所有閉環(huán)控制系統(tǒng)(無刷直流電機幾乎全部都是閉環(huán)控制系統(tǒng))都需要一個單片機，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(shù)字控制器通常是16位，但并不復(fù)雜的應(yīng)用程序可以使用8位控制器。 模擬電源/調(diào)節(jié)器/參考。除了上述組件外,許多系統(tǒng)包含電源，電壓調(diào)節(jié)器，電壓轉(zhuǎn)換,和其他模擬設(shè)備如監(jiān)測器，LDO,DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，和運算放大器。 模擬電源/調(diào)節(jié)器/參考：除了上述組件外,許多系統(tǒng)包含電源，電壓調(diào)節(jié)器，電壓轉(zhuǎn)換,和其他模擬設(shè)備如監(jiān)測器，LDO,DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，和運算放大器。 圖5 24 v無刷直流電機控制典型功能框圖 麥瑞在電機驅(qū)動領(lǐng)域的優(yōu)勢 a, 功率驅(qū)動。麥瑞有廣泛的MOSFET和IGBT驅(qū)動器。關(guān)鍵參數(shù)包括快速脈沖延遲、高門電荷/控制的峰值電流和85V操作。如MIC4604產(chǎn)品族能夠承受85 V的反電動勢電動機電壓。 b, 參考電壓和監(jiān)測。麥瑞這些設(shè)備提供了豐富的產(chǎn)品線在那些有單片機操作的場合。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(tǒng)反饋控制的關(guān)鍵。例子包括MIC6270,MIC841N,MIC833。 d, LDO。麥瑞提供業(yè)內(nèi)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開關(guān)調(diào)整器。麥瑞還提供了一個廣泛的DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，具有最高的轉(zhuǎn)換效率。這些都是用于供電應(yīng)用。例子包括MIC2605升壓和MIC4682降壓的開關(guān)電源調(diào)整器。 三.相無刷直流電機的基本操作理論 圖6 無刷直流電機橫截面 無刷直流電機是同步電機,有永磁體存在于轉(zhuǎn)子和線圈繞組。他們產(chǎn)生電磁場在電動機的定子中(參見圖6)。電氣終端直接連接到定子繞組;因此沒有電刷或機械 接觸到轉(zhuǎn)子，而電刷在有刷直流電機中是存在的。無刷直流電機使用直流電源和開關(guān)電路來在定子繞組上產(chǎn)生雙向電流。開關(guān)電路需要使用高邊開關(guān)和低邊開關(guān)為每 個繞組切換,合計六個開關(guān)為一個無刷直流電機。 圖7 IGBT開關(guān)電路 現(xiàn)代電機設(shè)計使用固態(tài)開關(guān)MOSFET、IGBT等(見圖7)根據(jù)電動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。開關(guān)電流產(chǎn)生合 適的磁場極性吸引相反的磁極和排斥相同的磁極。這反過來又產(chǎn)生另一個磁力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。使用轉(zhuǎn)子上的永磁體為設(shè)計師提供了一個機械優(yōu)勢：減少尺寸和重量。無 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(yīng)電動機,使其成為理想選擇，以便下一代機械系統(tǒng)的電能節(jié)約。 電機一般使用三相(繞組),每相繞組進行間隔的120度(見圖8) 圖8 六步換向 因為電流是雙向的,每相都有兩個間隔。這就是所謂的六步換向。例如,可以AB-AC-BCBA-CA-CB變換相序。每個傳導(dǎo)階段是一步,任何時候只有兩個繞組傳導(dǎo)電流,離開向第三繞組移動。非勵磁繞組可以作為反饋控制，所需的基礎(chǔ)特征無傳感器控制算法。 保持定子中的磁場隨轉(zhuǎn)子的運動方向產(chǎn)生最佳扭矩，從一個部分到另一個的過渡必須在準確的轉(zhuǎn)子位置發(fā)生。獲得最大扭矩是通過開關(guān)電路在每60度進行換向。所 有的開關(guān)控制算法是植入在微控制器中的。微控制器可以通過MOSFET驅(qū)動器控制開關(guān)電路，其中包含合適的響應(yīng)時間，如維持延遲，上升和下降時間，驅(qū)動能 力包括柵極驅(qū)動電壓和電流的同步需求來打開MOSFET / IGBT的“開”或“關(guān)”的狀態(tài)。 轉(zhuǎn)子的位置是確定正確的時刻換向電機繞組的關(guān)鍵。在有精度要求的應(yīng)用中，霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速表是用來計算位置，速度，和轉(zhuǎn)子的力矩。在成本是最重要的考慮因素的應(yīng)用中，無傳感器技術(shù)，這是反電動勢計算（EMF）-可以用來計算的位置，速度和扭矩。 反電動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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時。可用于控制和反饋信號的反電動勢的有三個重要特征，。第一個是反電動勢的大小 是與電動機速度成比例的。為此，設(shè)計師采用MOSFET驅(qū)動器，可以在至少兩倍的電源電壓操作。第二個因素是，當速度增加時，反電動勢的信號的斜率變大。 第三，反電動勢信號是在交叉事件中對稱。檢測交叉事件正是實施反電勢算法的關(guān)鍵。反向電動勢模擬信號可以被傳輸?shù)轿⒖刂破鳎總�混合信號電路采用高電壓運 算放大器和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它們被廣泛使用在大多數(shù)現(xiàn)代微控制器。每個繞組至少需要有一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，總共三個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 當采用無位置傳感器控制時，啟動的順序是非常重要的，因為單片機天生就不知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子初始位置。第一步啟動電機激勵2個繞組，在一個時間同時從幾個測量反電動勢反饋回路，直到確定一個精確的位置。 直流電機一般使用一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要一個單片機。單片機實現(xiàn)伺服環(huán)控制，計算，修正，PID控制，傳感器來檢測反電勢，霍爾傳感器，或轉(zhuǎn)速表。這些數(shù) 字控制器一般都是8位或更高要求的EEPROM來存儲固件，該算法是設(shè)定電機的速度，方向，和保持電機穩(wěn)定性必須的。單片機通常提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換器，允許無 傳感器電機控制結(jié)構(gòu)。這種架構(gòu)可以節(jié)省寶貴的電路板空間和成本。單片機的特點是可構(gòu)造性和必要的靈活性，以優(yōu)化應(yīng)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(diào)整器，參考電壓，驅(qū)動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刷直流電機，在感應(yīng)電機和有刷電機 有可比的價格點。 結(jié)論 在許多市場和應(yīng)用中，需要遷移到高效的無刷直流電機變得越來越普遍。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（無電氣觸點） ? 在危險的環(huán)境中安全操作（無碳刷粉塵產(chǎn)生在有刷電機中有）。 通過在關(guān)鍵子系統(tǒng)中使用無刷直流電機，可以減少整體重量。這意味著在汽車應(yīng)用時提供更好的燃油經(jīng)濟性。由于直流電機完全電子換向，在更高的速度時，它更容 易控制電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在世界各地，許多國家都面臨著電力不足，原因是電網(wǎng)不足。可以肯定的是，少數(shù)國家現(xiàn)在要么給予補貼或準備為那些更有效利用無刷直 流電機的提供補貼。無刷直流電機BLDC的部署，不過是尋求拯救綠色倡議，節(jié)約世界上最寶貴的資源的多種趨勢中的一種，而不會不利地影響我們的生活方式。 |
