BLDC電機換向的原理 三相BLDC電機設(shè)計解析

　　無刷直流 （BLDC） 電機的日益普及是由于使用了電子換向。這取代了由刷子在換向器上摩擦以激勵直流電機電樞中的繞組的傳統(tǒng)機制。

　　與傳統(tǒng)直流電機相比，電子換向提供更高的效率，在相同速度和負載下運行的電機可提高 20% 至 30%。正如國際能源署報告的那樣，全球 40% 的電力用于為電動機提供動力，這樣的效率提升變得引人注目。

　　此外，BLDC 電機更耐用。它保持其高性能，而等效的傳統(tǒng)電機的效率和功率因磨損而下降，導(dǎo)致電刷接觸不良，電刷和換向器之間的電弧耗散能量，以及影響導(dǎo)電性的污垢。

　　更高的效率允許 BLDC 電機在給定的功率輸出下做得更小、更輕、更安靜，從而進一步提高其在汽車等領(lǐng)域的普及度；白色家電；以及供暖、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC）。BLDC 電機的其他優(yōu)點包括卓越的速度與扭矩特性（啟動時的扭矩除外）、更動態(tài)的響應(yīng)、無噪音運行和更高的速度范圍。

　　BLDC 電機的缺點是其復(fù)雜性以及相關(guān)的成本增加。電子換向需要監(jiān)控電路來確保線圈通電的精確定時，以實現(xiàn)精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制，并確保電機以最高效率運行。

　　幸運的是，這個領(lǐng)域正在迅速成熟，硅供應(yīng)商現(xiàn)在提供各種高度集成的 BLDC 電機驅(qū)動器功率 MOSFET 芯片，帶有外部或嵌入式微控制器，以簡化設(shè)計過程，同時降低組件成本。本文將解釋設(shè)計人員如何利用這些最新芯片來簡化設(shè)計過程

　　BLDC 電機基礎(chǔ)知識

　　所有電動機，無論是機械換向還是電子換向，都遵循將電能轉(zhuǎn)換為機械能的相同基本方法。通過繞組的電流會產(chǎn)生磁場，在存在第二個磁場（通常由永磁體啟動）的情況下，該磁場會在該繞組上產(chǎn)生一個力，當(dāng)其導(dǎo)體與第二個磁場成 90° 時，該力達到最大值。增加線圈的數(shù)量會提高電機輸出并平滑電力輸送。（Monolithic Power Systems （MPS） 制作了一份應(yīng)用說明（參見參考資料 1），它很好地總結(jié)了電機的基本概念。）

　　BLDC 電機通過反轉(zhuǎn)電機設(shè)置克服了對機械換向器的要求；繞組成為定子，永磁體成為轉(zhuǎn)子的一部分。定子通常由鋼疊片組成，軸向開槽以容納沿其內(nèi)周邊的偶數(shù)個繞組。轉(zhuǎn)子由一個軸和一個帶有永久磁鐵的輪轂組成，這些永久磁鐵排列成兩到八個在“N”和“S”之間交替的極對。圖 1 顯示了常見磁體布置的一個示例，在這種情況下，兩個磁體對直接粘合到轉(zhuǎn)子輪轂上。

　　圖 1：在 BLDC 電機中，永磁體連接在轉(zhuǎn)子上。典型配置包括在“N”極和“S”極之間交替的兩到八對。（禮貌：MPS）

　　因為繞組是固定的，所以可以建立永久連接來為它們供電。為了使固定繞組移動永磁體，繞組需要以受控順序通電（或換向）以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

　　由于定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場使轉(zhuǎn)子以相同的頻率旋轉(zhuǎn)，因此 BLDC 電機被稱為“同步”型。BLDC 電機可以是一相、二相或三相。三相 BLDC 電機是最常見的，將成為本文其余部分的主題。

　　BLDC 電機控制

　　到目前為止，向三相 BLDC 電機順序施加電流的最常見配置是使用以橋式結(jié)構(gòu)排列的三對功率 MOSFET，如圖 2 所示。每對功率 MOSFET 控制電機一相的開關(guān)。在典型布置中，高側(cè) MOSFET 使用脈寬調(diào)制 （PWM） 進行控制，脈寬調(diào)制 （PWM） 將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制驅(qū)動電壓。PWM 的使用可以限制啟動電流并提供對速度和轉(zhuǎn)矩的精確控制。PWM 頻率是在高頻發(fā)生的開關(guān)損耗和低頻發(fā)生的紋波電流之間進行權(quán)衡，在極端情況下，可能會損壞電機。通常，設(shè)計人員使用的 PWM 頻率至少比最大電機轉(zhuǎn)速高一個數(shù)量級。

　　圖 2：三相 BLDC 電機通常由以橋式結(jié)構(gòu)排列并由 PWM 控制的三對 MOSFET 供電。PWM 提供對電機速度和扭矩的精確控制。（使用Digi-Key Scheme-it?繪制的圖表）

　　電子換向有三種控制方案：梯形、正弦和磁場定向控制。梯形技術(shù)（在下面的示例中描述）是最簡單的。在每一步，兩個繞組通電（一個“高”和一個“低”），而另一個繞組浮動。梯形方法的缺點是這種“階梯式”換向會導(dǎo)致扭矩“波動”，尤其是在低速時。

　　正弦控制更復(fù)雜，但它減少了轉(zhuǎn)矩脈動。在此控制狀態(tài)下，所有三個線圈都保持通電狀態(tài)，每個線圈中的驅(qū)動電流都以 120° 的角度正弦變化。與梯形技術(shù)相比，其結(jié)果是更平滑的功率傳輸。

　　磁場定向控制依賴于測量和調(diào)整定子電流，使轉(zhuǎn)子和定子磁通之間的角度始終為 90°。與所有其他技術(shù)相比，這種技術(shù)在高速下比正弦方法更有效，并且在動態(tài)負載變化期間提供更好的性能。幾乎沒有轉(zhuǎn)矩脈動，在低速和高速下都可以實現(xiàn)更平滑、更精確的電機控制。

　　本文將把其余的技術(shù)討論限制在梯形技術(shù)上。

　　在采用梯形控制方案的電機中，MOSFET 電橋開關(guān)必須以精確定義的順序發(fā)生，以使 BLDC 電機高效運行。切換順序由轉(zhuǎn)子磁體對和定子繞組的相對位置決定。三相 BLDC 電機需要六步換向序列才能完成一個電氣循環(huán)。每個電循環(huán)的機械轉(zhuǎn)數(shù)由轉(zhuǎn)子上的磁體對數(shù)決定。例如，將需要兩個電循環(huán)來機械旋轉(zhuǎn)由兩對磁體組成的轉(zhuǎn)子一圈。

　　有傳感器與無傳感器

　　兩種技術(shù)為位置反饋提供了解決方案。第一種也是最常見的使用三個霍爾效應(yīng)傳感器，嵌入在定子中并以相等的間隔排列，通常為 60° 或 120°。第二種“無傳感器”控制技術(shù)適用于需要最少電氣連接的 BLDC 電機。

　　在配備傳感器的 BLDC 電機中，每個霍爾效應(yīng)傳感器都與一個開關(guān)組合，該開關(guān)產(chǎn)生邏輯“高”（對于一個磁極）或“低”（對于相反磁極）信號。換向順序是通過組合來自霍爾效應(yīng)傳感器和相關(guān)開關(guān)的邏輯信號來確定的。在任何時候，至少有一個傳感器被轉(zhuǎn)子的一個磁極觸發(fā)并產(chǎn)生電壓脈沖。

　　圖 3 顯示了逆時針驅(qū)動的三相 BLDC 電機的換向順序?；魻栃?yīng)傳感器安裝在位置“a”、“b”和“c”。對于換向序列中的每一步，MOSFET 橋?qū)⒁粋€繞組（“U”、“V”或“W”）驅(qū)動為高電平，同時將一個繞組驅(qū)動為低電平，第三個保持懸空。例如，在圖的左上角，U 為高電平（形成 N 極），V 為低電平（S），W 為浮空。產(chǎn)生的磁場使轉(zhuǎn)子逆時針移動，因為它的永磁體被一個繞組排斥并被下一個繞組吸引。第二階段（下圖）顯示繞組 U 保持高電平，而 V 切換為浮動，W 切換為低電平，從而保持磁場的“旋轉(zhuǎn)”并隨之移動轉(zhuǎn)子。剩余的換向步驟，一個電循環(huán)，

　　圖 3：使用 MOSFET 電橋和霍爾效應(yīng)傳感器的三相 BLDC 電機的電子換向序列。在這種情況下，轉(zhuǎn)子逆時針驅(qū)動，霍爾效應(yīng)傳感器（“a”、“b”和“c”）以 60° 的間隔安裝。（禮貌：MPS）

　　圖 4 顯示了與上圖 3 所示逆時針旋轉(zhuǎn)電機的霍爾效應(yīng)傳感器信號相關(guān)的相繞組狀態(tài)。

　　圖 4：逆時針驅(qū)動的三相 BLDC 電機的霍爾效應(yīng)傳感器邏輯開關(guān)輸出和繞組狀態(tài)時序圖。請注意至少有一個邏輯開關(guān)和繞組每 60° 改變一次狀態(tài)。（禮貌：MPS）

　　無傳感器 BLDC 電機利用電動勢 （EMF） 在任何直流電機的繞組中產(chǎn)生電流，其磁場與楞次定律所描述的磁通量的原始變化相反。EMF 傾向于抵抗電機的旋轉(zhuǎn)，因此被稱為“反”EMF。對于具有固定磁通量和繞組數(shù)量的給定電機，EMF 與轉(zhuǎn)子的角速度成正比。

　　通過監(jiān)控反電動勢，經(jīng)過適當(dāng)編程的微控制器可以確定定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，而無需霍爾效應(yīng)傳感器。這簡化了電機結(jié)構(gòu)，降低了成本，并消除了支持傳感器所需的額外接線和電機連接，從而提高了可靠性。

　　然而，由于靜止電機不產(chǎn)生反電動勢，控制器無法在啟動時確定電機位置。解決方案是以開環(huán)配置啟動電機，直到產(chǎn)生足夠的 EMF 供控制器確定轉(zhuǎn)子和定子位置，然后接管監(jiān)控。如果電機用于禁止反向旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用，則使用更復(fù)雜的控制機制。

　　上述 BLDC 電機的每個繞組產(chǎn)生的反電動勢如圖 5 的下半部分所示。這與配備傳感器的可比 BLDC 電機的霍爾效應(yīng)傳感器邏輯開關(guān)輸出進行了比較。從圖中可以看出，繞組中產(chǎn)生的電動勢的零交叉點與邏輯開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)變化相吻合。微控制器使用這種過零信息來觸發(fā)無傳感器 BLDC 電機中換向周期的每個階段。（請參閱圖書館文章“通過反電動勢控制無傳感器、BLDC 電機”。）

　　圖 5：逆時針驅(qū)動 BLDC 電機的霍爾效應(yīng)傳感器邏輯開關(guān)輸出與回繞 EMF 的比較。請注意，用于控制無傳感器 BLDC 電機的反電動勢信息的零交叉點如何與配備傳感器的 BLDC 電機中邏輯開關(guān)的狀態(tài)變化相一致。（禮貌：MPS）

　　設(shè)計 BLDC 電機

　　雖然涉及 BLDC 電機換向的原理，但 BLDC 電機功率和控制電路設(shè)計并非必須如此。市場上有許多經(jīng)過驗證的集成產(chǎn)品可用作電路的構(gòu)建塊。包含柵極驅(qū)動器或集成 MOSFET 的 BLDC 電源模塊位于電路的核心。

　　Allegro Microsystems 的 A4915三相 MOSFET 驅(qū)動器用作 BLDC 電機的六功率 MOSFET 橋的預(yù)驅(qū)動器。該設(shè)備專為電池供電的產(chǎn)品而設(shè)計。節(jié)能的一個顯著特點是低功耗睡眠模式，可確保設(shè)備在不轉(zhuǎn)動電機時消耗最小的電流。該器件還具有同步整流功能，這是一種從開關(guān)穩(wěn)壓器中借用的技術(shù)，可降低功耗并消除對外部肖特基二極管的需求。

　　Microchip還為 BLDC 電機的六功率 MOSFET 橋提供預(yù)驅(qū)動器，但這次是用于汽車、家用電器和業(yè)余愛好產(chǎn)品中使用的小型無傳感器單元。MCP8025器件集成了一個降壓（“降壓”）開關(guān)穩(wěn)壓器來為外部控制器供電，此外還有兩個低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器和一個電荷泵來為 MOSFET 橋供電。

　　該芯片通過測量浮動繞組的反電動勢來使事情變得簡單，然后將其與電機的中性點進行比較。當(dāng)反電動勢越過零點時，過零檢測器向主機控制器發(fā)送信號以指示換向參考點。

　　Texas Instruments的DRV8313通過集成三個可單獨控制的半 H 橋驅(qū)動器更進一步。這種安排的優(yōu)勢在于，除了用于三相 BLDC 電機控制外，該芯片還可用于驅(qū)動機械換向電機（使用兩個半 H 橋）或三個獨立的螺線管。該芯片可通過 8 至 60 V 電源提供高達 3.5 A 的電流。

　　DRV8313 不包括傳感器輸入。TI 建議，對于有傳感器或無傳感器操作，該芯片應(yīng)與流行的MSP430等微控制器配合使用。如圖 6 所示，這種布置為帶傳感器的三相 BLDC 電機提供了完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　圖 6：用于感應(yīng)式三相 BLDC 電機的完整閉環(huán)控制系統(tǒng)。該電路包括一個模擬速度輸入、監(jiān)控功率 MOSFET 的 PWM 輸出的 MSP430 微控制器、一個六 MOSFET 橋驅(qū)動器、MOSFET 橋和 BLDC 電機。電機定子和轉(zhuǎn)子位置由向微控制器提供信號的三個霍爾效應(yīng)傳感器確定。（禮貌：德州儀器）

　　TI 提供了一個替代部件DRV8308，它不集成 MOSFET。但是，它可以直接從三個霍爾效應(yīng)傳感器獲取輸入，因此如果愿意，可以在沒有額外微控制器的情況下使用。

　　雖然霍爾效應(yīng)傳感器是一種經(jīng)過驗證的位置反饋解決方案，但位置傳感器技術(shù)的發(fā)展提供了更高的精度和更有效的換向序列的承諾。例如，Analog Devices 的ADA4571是一款角度傳感器和信號調(diào)節(jié)器，可以用單個器件替代典型三相 BLDC 電機設(shè)計中的三個霍爾效應(yīng)傳感器。優(yōu)點是節(jié)省空間并且只需要使用單個信號。

　　ADA4571 使用各向異性磁阻 （AMR） 技術(shù)。一種典型的實施方式是在 BLDC 電機軸的末端安裝一個徑向磁化圓盤。圓盤的磁場穿過傳感器的平面，并且在機械和電氣部件之間不接觸的情況下確定轉(zhuǎn)子角度。

　　單個各向異性磁阻傳感器可以放置在安裝在 BLDC 電機軸端的圓盤磁鐵附近，取代三個霍爾效應(yīng)傳感器用于 BLDC 電機角度傳感，節(jié)省空間并簡化信號處理。

　　ADA4571 提供與旋轉(zhuǎn)磁場角度相關(guān)的放大余弦和正弦輸出信號。輸出電壓范圍與電源電壓成比例。Analog Devices 建議將該傳感器與AD7866 12 位 ADC 組合使用，以將 ADA4571 的模擬信號轉(zhuǎn)換為 BLDC 電機驅(qū)動控制器或外部微控制器所需的數(shù)字信號。

　　Analog Devices 聲稱，使用單個角度傳感器不會影響換向精度，因為 ADA4571 能夠?qū)z測到的角度誤差限制在最大 +/-0.25° 的 BLDC 電機速度高達 25，000 rpm 的情況下。

　　結(jié)論

　　BLDC 電機的電子換向需要精確控制，這增加了電機電路的復(fù)雜性和成本。然而，效率的回報，如降低的功率、可靠性和空間，以及最終產(chǎn)品的重量減輕，遠遠抵消了這些缺點。此外，各種經(jīng)過驗證的集成 BLDC 電機驅(qū)動器顯著簡化了設(shè)計過程，同時增加了設(shè)計人員針對特定應(yīng)用微調(diào)設(shè)計的靈活性。

　　參考：

　　“Brushless DC Motor Fundamentals，” Jian Zhao and Yangwei Yu， MPS Application Note （AN047）， July 20