實現(xiàn)無傳感器、無電刷的電動機控制設(shè)計

技術(shù)不斷在向前邁進，新出品的電子元件簡化了電動和控制器的設(shè)計，對於工程師開發(fā)電器用具設(shè)計并從無電刷電動機操作上得著莫大的好處是擔(dān)當(dāng)一個重要角色。

無電刷電動機（Brushless Motor）的應(yīng)用設(shè)計越來越多都是傳統(tǒng)上依賴DC和異步電動機。主要的好處一般包括無電刷電動機的單位成本和能以電子方式控制速度和轉(zhuǎn)距，這不單節(jié)省機械設(shè)計，而且還使到在家用電器、電風(fēng)扇、壓縮器及工業(yè)傳動機器上達至節(jié)能目的，傳統(tǒng)的做法是在關(guān)閉與全速的浪費操作之間交替地進行。

無電刷電動機控制算法（control algorithm）需要轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)來計算脈寬調(diào)制（PWM）輸出，但是采用比如霍爾效應(yīng)（Hall Effect）器件之類傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置卻加增成本和復(fù)雜性。并且也使到可靠性構(gòu)成挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計師要敏銳地以無傳感器檢測方式來獲得轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)。

圖1. 使用56F8013設(shè)計無電刷直流電動機控制系統(tǒng)。

為此，具備有DSP（數(shù)字信號處理）功能的新一代微控制器提供足夠的計算能力，支援復(fù)雜的電動機控制策略，包括計算一般必須由附加傳感器來采集的速度與位置數(shù)據(jù)。另一方面，也提供功率模塊，此是采用智能功率技術(shù)將功率型MOSFET或IGBT與電流測量功能結(jié)合一體。這樣簡化了功率電路的設(shè)計，令到一個密集而獨立的方案很容易組合到最終產(chǎn)品上。

電動機類型
在電動機控制系統(tǒng)中有四個核心部位應(yīng)予凸顯，它們是∶
·控制單元∶這是根據(jù)輸入信號和來自傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行精密的位置與速度估計算法，控制單元也管理與電動機有關(guān)的系統(tǒng)保護。
·功率變換器∶這是提供電源來驅(qū)動電動機，并由DSP經(jīng)特殊界面控制。
·傳感器∶傳感器傳統(tǒng)上乃用來回饋電動機的位置數(shù)據(jù)，DSP以此來計算電動機所需的驅(qū)動功率。
·輔助電路∶加上電源和一般保護電路，合成無電刷電動機控制器設(shè)計。
廣義來講，常用的無電刷電動機分兩類∶無電刷直流（BLDC）電動機和無電刷交流電動機（在別的情況稱永磁同步電動機（PMSM）），兩類中皆包含產(chǎn)生激勵磁場的永磁轉(zhuǎn)子及安排作二相或三相的定子繞組。在無電刷直流電動機中安排繞組使到每一相在沿著定子的空氣隙中產(chǎn)生一個梯形磁場。在永磁同步電動機中旋轉(zhuǎn)場是正弦的。

圖2. 56F8013 DSC結(jié)合數(shù)字信號處理及專用電動機控制外圍設(shè)備。

工作原理

在永磁同步電動機中，以三相正弦電壓方式（120°相移）施加於定子繞組上，這樣在轉(zhuǎn)子周圍建立一個旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子找尋與這旋轉(zhuǎn)定子場對齊，故此，當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子磁通分隔90°時造出的轉(zhuǎn)距便是最大，又當(dāng)磁通對齊時轉(zhuǎn)距是零。最後，轉(zhuǎn)子速度等於定子頻率，因為這緣故，這類電動機被稱為同步，電動機的轉(zhuǎn)速可由調(diào)節(jié)三相電源的頻率來控制。

永磁同步電動機在某些方面較無電刷直流電動機優(yōu)勝，包括轉(zhuǎn)距紋波小、可聞噪聲低，以及更能夠在低速工作。而另一方面，電動機結(jié)構(gòu)大多復(fù)雜，需要精密的控制算法。電動機一般備有一個正交編碼器（quadratur encoder）檢測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速回饋；有時還要用霍爾傳感器檢知起始位置。

在無電刷直流電動機中，定子各相被饋以一序列的梯形電壓，這樣混合一起便造出一個有矩形空間分布的旋轉(zhuǎn)磁場，在圖1所示的簡化雙極模型中有助於了解這類電動機的基本原理。

饋電線圈U和W建立磁場，指向如圖中的N’和S’，因此轉(zhuǎn)子以其N-S方向即經(jīng)過一個力矩，并開始旋轉(zhuǎn)；須注意，起初兩磁場是90°移動，經(jīng)過30°旋轉(zhuǎn)後，定子被換向，以至新的形式下產(chǎn)生的定子場是與轉(zhuǎn)子場移位120°，正如解釋，轉(zhuǎn)子勢必跟隨定子場，以至移位再減少至60°，在此時執(zhí)行新的換向，并且該形勢繼續(xù)重復(fù)下去，於是獲得360°旋轉(zhuǎn)。

將給線圈的電源換向的正確時間由三個放置在電動機內(nèi)里的霍爾傳傳感器來決定，因此，只要令磁場常操作於60°與120°之間移位及以90°為中界，六種不同形式便可造出最大效率，須記著最大轉(zhuǎn)矩是於定子場與轉(zhuǎn)子場是90°移位時得到的，顯而易見，由無電刷直流電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，特徵是有明顯的波動。

必須的工作

在兩類電動機情況來看，檢測轉(zhuǎn)子位置是電動機必須的工作，而霍爾傳感器就是傳統(tǒng)的解決方案?？墒?，這卻加添材料成本，需額外的連線，以及代表多一個故障機制；斷線或傳感器失效令電動機停止，在維修而言這是昂貴的支出，一般會導(dǎo)致差劣的市場洞察力，又增加在工業(yè)應(yīng)用上擁腫的成本。

另一缺點，使用霍爾傳感器造出精確的速度控制，通常需要更昂貴的正交編碼器或測速發(fā)電機，因此，創(chuàng)造一個無傳感器方案，從而免除對霍爾傳感器和相連電路的需求和依賴，祈望降低成本，加強以變速電動機驅(qū)動為特色的電器的可靠性和壽命。

圖3. FCBS0550 550V MOSFET逆變器模塊，備有獨立負(fù)線，支援單引腳電流監(jiān)視。

要進行無傳感器控制必須在電動機正在運行之時以其他的測量方法間接取得轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)。就這兩類電動機來講，這要由轉(zhuǎn)子在每一定子相中的感應(yīng)來測量或估計反電動勢（back emf），在無電刷直流電動機中，其中一相總是被關(guān)閉，這樣便可利用反電動勢測量和零交點檢測來計算正確的相開關(guān)時間和形式。

在永磁同步電動機中，必須估計反電動勢波形，然後利用反三角函數(shù)取出轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)。在實際當(dāng)中不少的干擾影響也疊加在定子電壓波形上，須先行將之濾出，才可以抽出在數(shù)據(jù)中所包含的轉(zhuǎn)子位置資料。在實現(xiàn)無傳感器電動機控制上DSP是完全符合高速運算要求的最佳之選。

數(shù)字信號控制器

Freescale近來推出56F8000數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller）系列，此是把DSP功能與微控制器式的管理結(jié)合為一體。56F8000建基於一個高性能16 bit核芯，有32MIPS的操作速度，并裝備有大量的外圍服務(wù)應(yīng)用程序，包括電動機控制和眾多其他功能，譬如在圖2中所示的56F8013就是使到電動機控制應(yīng)用達至最優(yōu)化，并包括以下的外圍設(shè)備∶
·三相PWM模塊，有15 bit分辨能力和一組可編程的故障和配置
·12 bit ADC，準(zhǔn)許有同時轉(zhuǎn)換和比如零交點檢測。
·時間器模塊，有16 bit分辨率和多通道結(jié)構(gòu)，可用作速度或時間計算。
對於無電刷直流電動機，軟件方面包括∶
·設(shè)有閉環(huán)速度與電流限制的電動機控制
·電動機從任何位置啟動，采用一個對準(zhǔn)過程從而知道初始的轉(zhuǎn)子位置，需要正確的饋電次序。
·反電動勢檢測、與PWM同步，減小由於PWM信號在現(xiàn)用相上通電時因為互感和電容所造成的干擾。
·在運行過程中計算及更新?lián)Q向時間，使到萬一找不住零交點時可以作出修正動作。
·起動過程要顧及低速、預(yù)定的換向時序；這是需要的，因為在低轉(zhuǎn)速時，比如當(dāng)啟動電動機時，反電動勢的幅度太小以致難以檢測。
對於永磁同步電動機，軟件包括∶
·電動機控是依據(jù)場定位控制（FOC），這是用來維持定子與轉(zhuǎn)子磁通於正交位置，以增大轉(zhuǎn)矩效率。
·有稱為滑動模式觀測器（SMO）的反電動勢估計器，其輸出用來計算轉(zhuǎn)子位置和速度等資料。
·速度與電流閉合環(huán)路，分別有更佳的速度與轉(zhuǎn)矩性能。

聰明功率模塊

除了實現(xiàn)位置估計算法外，設(shè)計電動機控制器的功率級是對工程師尋找一個快速和劃算的方案又是另一個重大挑戰(zhàn)，尤其功耗和與大電流高電壓工作相關(guān)的干擾影響。即使是一位富經(jīng)驗的設(shè)計師也要付出相當(dāng)?shù)乃剂亢蛣诹?，例如要將布局?yōu)化處理，才可減少功率開關(guān)的連帶效果。其中一個更專門的部份是為功率開關(guān)設(shè)計的驅(qū)動管，這會用MOSFET或IGBT制造，視乎所需的電壓額定值來決定。

要解決種種挑戰(zhàn)，有些制造商供應(yīng)完備的模塊，內(nèi)里將所需的功率開關(guān)與驅(qū)動器和界面電路整合，只需電動機控制輸入信號，還有電源直接驅(qū)動電動機便可以了。設(shè)計范圍已縮小至一個簡單過程 ─ 找一個大小符合於功率額定值的散熱器。布線上經(jīng)已在模塊內(nèi)里優(yōu)化，減少連線長度，減少功率損失、以及電容/電感的副作用，除此以外，電源結(jié)構(gòu)相對於分立式方案更為簡化，導(dǎo)致到整個設(shè)計更加緊密。

圖4. International Rectifier的智能電源模塊結(jié)合了數(shù)字電路和大功率驅(qū)動器

譬如Fairchild推出的聰明功率模塊FCBS系列，就包括有集驅(qū)動、保護、系統(tǒng)控制等功能一身的500V MOSFET逆變器。如圖3所示，HVIC技術(shù)使到單電源MOSFET門驅(qū)動能力上不需用光電耦合器，這有助於縮減全部兩成的板面。元件安裝在低熱阻陶瓷襯底上。有效地排除熱力至模塊的表面，此處可連接散熱器。綜合保護方面包括欠壓封鎖和短路保護，而分開的負(fù)DC線端提供單腳電流監(jiān)視。

International Rectifier（IR）以其智能功率模塊（IPM）解決了合乎經(jīng)濟效益的無電刷電動機設(shè)計，特色是高度集成化，將IR專利的三相門驅(qū)動器和高效率的溝道IGBT技術(shù)集合於單列直插式組件上，如圖4所示，一個IPM便替代超過20個分立元件，IR采用絕緣金屬襯底技術(shù)，提高熱效能，減少EMI干擾，這樣為節(jié)能用具和由變速電動機驅(qū)動的輕工業(yè)設(shè)備造就了一個完備的功率級方案?？色@得的模塊都是為功率額定值由400W至2500W作出最優(yōu)化。

就以IRAMS06為例，它額定於6A輸出，不單結(jié)合IGBT和門驅(qū)動器，還有溫度監(jiān)視，過流關(guān)閉、欠壓封鎖和防止交叉導(dǎo)電邏輯，其他特色譬如作為高端驅(qū)動的陰極負(fù)載二極管和單極電源等，簡化了整個系統(tǒng)設(shè)計，不需額外的隔離，因為元件本身獲得高達每分鐘2000Vrms，IR也在www.rf.com/designcenter/ipm發(fā)表網(wǎng)上設(shè)計工具，有助於設(shè)計師使用IPM系列和電動機控制IC的IRMCK系列設(shè)計其方案。