高性能低功耗三相BLDC电机控制系统的设计

 概要

如今，工程师将电机控制系统用于数字与模拟技术来应对过去面临的挑战，包括电机速度控制、旋转方向、漂移及电机疲劳等。微控制器 (MCU) 的应用为当代工程师提供了动态控制电机动作的机会，从而使其能够应对环境压力和状况。这有助于延长操作寿命并减少维修，从而降低成本。目前，电机制造商倾向于制造三相BLDC电机。原因在于BLDC电机不直接接触换向器和电气终端(有刷电机直接接触)，因而不仅可降低功耗增加扭矩，同时还可延长操作时间。遗憾的是，与有刷直流或交流电机相比，三相电机控制装置更加复杂。此外，数字与模拟组件之间的关系变得非常重要。

本文将简要探讨在三相BLDC电机应用中使用模拟组件和微控制器时应考虑的问题。同时还将重点介绍适合在直流电压从12V到300V不等的电源下驱动微控制器的电源管理装置及功率电平位移器。

对BLDC电机的需求究竟源自何处?

近来，设计师更喜欢使用高效的BLDC电机。这种趋势适用于众多市场和各种应用。目前，许多应用能够或已经使用BLDC电机替代过时的交流电机或机械泵技术。使用BLDC电机的重要优势包括：

· 更高效(达 75%，交流电机仅为 40%)

· 更少的热量

· 高耐久性(无刷型，所以无磨损)

· 可在危险环境下操作更加安全(无灰尘产生，而有刷电机则有)。

在主要子系统中使用BLDC电机还可降低整个系统重量。由于BLDC电机完全采用电子整流，因此更易于高速地控制电机的扭矩和RPM。全球政府正应对电网不足引起的有效功率不足。此外，全球许多地区必须应对需求高峰期产生的电源中断。因此，这些国家正在提供补贴或准备发放补贴，以便更有效地使用BLDC电机。

表1：无刷直流电机的优势

战略细分市场和应用

汽车 汽车市场中包含许多机械和液压泵/移动控制装置被替换的实例。具体应用包括燃油泵、动力转向、座椅控制、汽车HVAC(暖通空调)顶窗运动及挡风玻璃的刮水电机等。据计算，转换为BLDC电机后，可为每项上述功能节省约每加仑汽油多行驶一英里的能源。这需归功于显著的燃料节省及功率效率。

图1：车窗玻璃升降器原理框图

家电。家电市场中一些家电可得益于使用高效的BLDC电机。其中包括泵、风机、空调、搅拌器、手动工具及其它厨房用具。

图2：搅拌器电机控制原理框图

工业系统。多数泵、风机、空调、混合器及 HVAC 需要电机驱动。欧盟已经发布法令要求所有新的工业用具使用 BLDC 电机的三相“变频驱动”。

图3：空调原理框图

大型家电。使用高效 BLDC 电机可减少许多洗衣机和干衣机的用电量。

图4：洗衣机电机原理图。

表2：无刷直流电机驱动的关键区

BLDC电机通过什么驱动?

有几种方法可用于驱动BLDC电机;一些基本系统要求如下所列：

a. 大功率晶体管。这些通常是场效应管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，可承受高压(满足电机的要求)。多数家电使用的电机功率为1/2至3/4马力(1马力=734瓦特)。因此，典型电流能力可达到10A。对于高压系统而言(通常 >350V)，可使用IGBT。

b. MOSFET/IGBT驱动器。通常，可使用一组MOSFET/IGBT驱动器。可选择“半桥”驱动器或三相驱动器。这些解决方案能够操作的电压必须为电机电压的两倍，以应对电机产生的逆电动势 (EMF)。此外，这些装置需要通过设置时间和切换控制提供功率晶体管保护，从而确保底部晶体管打开之前关掉顶部晶体管。

c. 反馈元件/控制。设计师应在所有伺服控制系统中设置一些“反馈元件”。例如光学传感器、霍尔效应传感器、转速计及最简单的“EMF 传感”。各种反馈方法都非常有用，主要取决于所需精确度及所需RPM和扭矩。许多消费者电器通常使用反电动势传感的无传感器技术。

d. 模拟数字转换器 在许多情况下，需要设置模拟数字装置，以将模拟信号转换为数字信号，从而将数字信号发送至系统MCU。

e. MCU. 所有闭环控制系统(BLDC电机几乎一直属于此群组)均需要MCU，以实现伺服回路控制、计算、纠正、PID控制机传感器管理。这些数字控制器通常为16位，但是复杂性较低的应用可使用8位控制器。

f. 模拟功率/调节器/基准 除了上述组件以外，许多系统还包括辅助电源、电压转换及其他模拟设备，如管理器、LDO、直流/直流及运算放大器。

图5：24V无刷直流电机控制的典型原理框图。

麦瑞公司电机驱动器的优势

a. 功率驱动器。麦瑞公司拥有适合业界应用的各种类型MOSFET/IGBT驱动器。主要参数包括： 快速脉冲延迟、闸电荷/控制的高峰值电流及工作电压达85V。例如，麦瑞 MIC4604系列可承受的逆电动势电机电压达85V。

b. 电压基准与管理器 麦瑞可提供一系列对操作MCU至关重要的装置。实例包括： MIC811、MIC2775及MIC1232电压管理器电路。

c. 运算放大器/比较仪 麦瑞拥有一系列低功率运算放大器与比较仪。这些装置对于确保精确的伺服系统反馈控制至关重要。实例包括： MIC6270、MIC841N及MIC833。

d. LDO。麦瑞可提供行业中最广泛应用的LDO，包括快速瞬态LDO、低输入LDO、最低释放LDO及高强度电流LDO。实例包括： MIC49150、MIC29150、MIC5235及MIC5283。

e. 直流/直流(DC/DC)开关稳压器。麦瑞也可提供大量高效直流/直流变流器。这些可用于辅助电源，包括MIC2605增压和MIC4682降压(步降)开关稳压器。

三相无刷直流电机的基本操作原理

无刷直流(BLDC)电机为同步电机，转子和线圈绕组中设有永久磁铁。它们可在电机定子上产生电磁(参见图5)。电气端子直接连接至定子绕组;因此，转子上未连接刷子或机械装置(如有刷电机)。BLDC电机使用直流电源和开关电路，在定子绕组上产生双向电流。开关电路必须在每个绕组中使用一个高端开关和低端开关，因此一个BLDC电机共使用6个开关。

现代电机设计采用固态开关，如MOSFET或IGBT，这取决于与继电器相比时电机的速率和电压。此外，还必须考虑成本、可靠性和尺寸(参见图6)。开关电流产生适当的磁场极性，可吸引相反极性，排斥相同极性。从而产生磁力，促使转子旋转。将永久磁铁用于转子可为设计师提供机械利益;并可减小尺寸，降低重量。与有刷电机和感应电机相比，BLDC电机的热特性更优，因而成为掀起机械系统节能新浪潮的理想选择。

图6：BLDC电机截面

BLDC通常使用三个相位(绕组)，每个相位具有120度的导通间隔(参见图7)。

图7：六步换向

由于为双向电流，每个相位按照每个导通间隔有两个步骤。这是一种镀锡六步换向。例如，换向相序可为AB-AC-BC-BA-CA-CB。每个导电阶段标记一个步骤，任何时候只能由两个绕组导通电流，第三个绕组悬空。未励磁绕组可用作反馈控制，构成无传感器控制算法特征的基础。

为了保持在转子之前的定子内部的磁场，并产生最佳扭矩，必须在精确的转子位置完成从一个扇形区到另一个的过渡。通过每 60 度转向的开关电路获得最大扭矩。所有开关控制算法均包含在MCU中。微控制器可通过MOSFET驱动器控制开关电路。MOSFET驱动器包含适当响应时间(如 维持延迟及上升和下降时间)和驱动能力(包括转换MOSFET/IGBT “开”或“关”状态所需的门驱动电压和电流同步)。

转子位置对于确定电机绕组换向所需的正确力矩非常重要。在精度要求较高的应用中，可使用霍尔传感器或转速计计算转子的位置速度和转矩。在首要考虑成本的应用中，逆电动势 (EMF) 可用于计算位置、速度和转矩。

逆电动势是指永久磁铁在定子绕组中产生的电压。电机转子旋转时会出现这种情况。共有三个可用于控制和反馈信号的主要逆电动势特征。第一，适用于电机速度的逆电动势等级。因此，设计师使用工作电压至少为标准电压的2倍的MOSFET驱动器。第二，逆电动势信号的斜率随速度增加而增加。第三亦即最后者，如图8所示的“交叉事件”中逆电动势信号是对称的。精确检测交叉事件是执行逆电动势算法的关键。逆电动势模拟信号可使用高压运算放大器和模拟数字转换器(广泛应用于最现代的微控制器)按每个混合信号电路转化至MCU。每个至少需要一个ADC。

图8：交叉事件

使用无传感器控制时，启用顺序至关重要，这是由于MCU最初不确定转子的初始位置。首先启动电机，激励两个绕组，同时从逆电动势反馈回路进行几次测量，直到确定了精确位置。

通常可使用具有MUC的闭环控制系统操作BLDC电机。MCU可执行伺服回路控制、计算、纠正、PID控制及传感器管理(如逆电动势、霍尔传感器或转速计)(参见图9)。这些数字控制器通常为8位或更高，需要EEPROM储存固件，从而获得设置所需电机速度、方向及维持电机稳定性所需的算法。通常，MCU 可提供允许无传感器电机控制构架的ADC。该构架可节省宝贵成本和电路板空间。MCU兼具较强可构造性和灵活性，可满足优化应用算法之所需。模拟IC可为MUC提供高效电源、电压调整、电压基准，能够驱动MOSFET或IGBT及故障保护。采用这两种技术均可高效地操作三项BLDC电机，且与感应电机和有刷电机价格相当。

图9：闭环控制

总结

在许多市场和应用中，向高效BLDC电机过渡的趋势越来越普遍。这是由于BLDC电机用于以下优势：

· 高效(达75%，交流电机仅为40%)

· 热量更少

· 更高可靠性(无电触头)

· 可在危险环境下操作更加安全(无灰尘产生，而有刷电机则有)。

通过在关键任务子系统中使用 BLDC 电机，可减少重量。这意味着在车辆中应用节约更多燃油。由于 BLDC 电机完全采用电子整流，因此更易于高速地控制电机的扭矩和 RPM。全球许多国家面临着电网不足引起的有效功率不足。可以肯定的是，为了更有效地使用 BLDC 电机，少数国家正在提供补贴或正准备提供补贴。BLDC 部署是在避免对我们的生活方式造成不利影响的前提下促进绿色环保，节约全球宝贵资源的趋势之一。