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一.概要 當今，工程師利用了數字和模擬技術克服了過去所有的挑戰，包括電機速度控制，旋轉方向，漂移和電機疲勞，使得電機控制系統被廣泛的使用。微處理器的應用也 使得這一代工程師有機會去動態的控制電機的行為，目的是為了能響應環境壓力和限制。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雜性，相比有刷直流電或交流電機，數字和模擬器件之間的關系變得非常重要。 這篇白皮書討論了在三相無刷直流電機應用中使用模擬器件和微控制器時，需要關注的重要因素。它也涵蓋了適合的電源管理器件和功率電平移位器。使微控制器驅動電機的功率源從12V提升到300V的直流電壓。 誰需要驅動無刷直流電機呢？ 最近，設計者已經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用真實的線索，目前，能夠使用和已經使用無刷直流電取代過時的交流電機或機械泵技術。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%) ? 較少的熱量產生 ? 更高的可靠性(無電刷磨損) ? 危險環境中更安全的操作(沒有碳刷粉產生,而在有刷電機中有碳粉產生) 在關鍵的子系統中使用無刷直流電機也能降低整個系統的重量，因為無刷重量電機是完全采用電子化換向，這樣在更高的轉速時，能更簡單的控制電機的扭矩和轉 速。世界各地的政府都在處理由于電網電力不足引起的有功功率赤字。此外，世界上還有很多地區必須在需求高峰季節進行停電處理。結果是這些國家現在要么給予 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 無刷直流電機的優勢 細分市場和應用戰略 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。這一趨勢涵蓋的應用從燃油泵,電動轉向,座椅控制,汽車HVAC(加熱通風和空調), 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，都能節省高達一英里每加侖。這種運動背后的原因是明顯的節省燃油和能源 效率。 圖2 電動車窗功能框圖 家庭應用：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、攪拌器、手提電動工具和其他的廚房電器。 工業系統：大多數泵、風扇、空調、攪拌機、空調機組都需要電機驅動。歐盟已頒布了一項法令,要求所有新的工業電器使用BLDC電機的三相“逆變器驅動”。 圖3 空調功能框圖 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 無刷直流電機驅動器的重要應用領域 無刷電機的驅動力是什么? 這里有幾種方法來驅動無刷直流電機。下面列出了一些基本的系統要求: a. 功率晶體管：這些通常是能夠承受高電壓(與發動機要求匹配)的MOSFET和IGBT。大多數家用電器使用能產生3/8馬力(1HP= 734 W)的電機。因此，典型的應用電流值為10A。高壓系統通常(> 350 V)則使用IGBT。 b. MOSFET/IGBT驅動器：一 般來說,就是一組MOSFET或者IGBT的驅動器。即可以選擇是三個“半橋”驅動器或三相驅動器。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,這些驅動器應該提供通過時間和開關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閉。 c. 反饋元件/控制：在伺服控制系統中工程師應該設計有某種反饋元件。例如包括光學傳感器、霍爾效應傳感器、轉速表、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、轉速、轉矩。許多消費領域應用通常尋求利用反電動勢無傳感器技術。 d. 模數轉換器：在許多情況下, 為了將模擬信號轉換為數字信號，需要設計一個模數轉換器,它能將數字信號發送到單片機系統。 e. 單片機：所有閉環控制系統(無刷直流電機幾乎全部都是閉環控制系統)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。這些數字控制器通常是16位，但并不復雜的應用程序可以使用8位控制器。 模擬電源/調節器/參考。除了上述組件外,許多系統包含電源，電壓調節器，電壓轉換,和其他模擬設備如監測器，LDO,DC-to-DC轉換器，和運算放大器。 模擬電源/調節器/參考：除了上述組件外,許多系統包含電源，電壓調節器，電壓轉換,和其他模擬設備如監測器，LDO,DC-to-DC轉換器，和運算放大器。 圖5 24 v無刷直流電機控制典型功能框圖 麥瑞在電機驅動領域的優勢 a, 功率驅動。麥瑞有廣泛的MOSFET和IGBT驅動器。關鍵參數包括快速脈沖延遲、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, 參考電壓和監測。麥瑞這些設備提供了豐富的產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反饋控制的關鍵。例子包括MIC6270,MIC841N,MIC833。 d, LDO。麥瑞提供業內廣泛的LDO包括最快的瞬態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開關調整器。麥瑞還提供了一個廣泛的DC-to-DC轉換器，具有最高的轉換效率。這些都是用于供電應用。例子包括MIC2605升壓和MIC4682降壓的開關電源調整器。 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,有永磁體存在于轉子和線圈繞組。他們產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電路來在定子繞組上產生雙向電流。開關電路需要使用高邊開關和低邊開關為每 個繞組切換,合計六個開關為一個無刷直流電機。 圖7 IGBT開關電路 現代電機設計使用固態開關MOSFET、IGBT等(見圖7)根據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。開關電流產生合 適的磁場極性吸引相反的磁極和排斥相同的磁極。這反過來又產生另一個磁力使轉子旋轉。使用轉子上的永磁體為設計師提供了一個機械優勢：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電動機,使其成為理想選擇，以便下一代機械系統的電能節約。 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。每個傳導階段是一步,任何時候只有兩個繞組傳導電流,離開向第三繞組移動。非勵磁繞組可以作為反饋控制，所需的基礎特征無傳感器控制算法。 保持定子中的磁場隨轉子的運動方向產生最佳扭矩，從一個部分到另一個的過渡必須在準確的轉子位置發生。獲得最大扭矩是通過開關電路在每60度進行換向。所 有的開關控制算法是植入在微控制器中的。微控制器可以通過MOSFET驅動器控制開關電路，其中包含合適的響應時間，如維持延遲，上升和下降時間，驅動能 力包括柵極驅動電壓和電流的同步需求來打開MOSFET / IGBT的“開”或“關”的狀態。 轉子的位置是確定正確的時刻換向電機繞組的關鍵。在有精度要求的應用中，霍爾傳感器或轉速表是用來計算位置，速度，和轉子的力矩。在成本是最重要的考慮因素的應用中，無傳感器技術，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生的電壓。這發生在電機轉子轉動時。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，設計師采用MOSFET驅動器，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鍵。反向電動勢模擬信號可以被傳輸到微控制器，每個混合信號電路采用高電壓運 算放大器和模擬-數字轉換器，它們被廣泛使用在大多數現代微控制器。每個繞組至少需要有一個模數轉換器，總共三個模數轉換器。 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子的轉子初始位置。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控制系統，需要一個單片機。單片機實現伺服環控制，計算，修正，PID控制，傳感器來檢測反電勢，霍爾傳感器，或轉速表。這些數 字控制器一般都是8位或更高要求的EEPROM來存儲固件，該算法是設定電機的速度，方向，和保持電機穩定性必須的。單片機通常提供了模數轉換器，允許無 傳感器電機控制結構。這種架構可以節省寶貴的電路板空間和成本。單片機的特點是可構造性和必要的靈活性，以優化應用程序的算法。模擬集成電路可以給單片機 高效電源，電壓調整器，參考電壓，驅動MOSFET或IGBT的能力，以及故障保護。這兩種技術都可以高效的操作三相無刷直流電機，在感應電機和有刷電機 有可比的價格點。 結論 在許多市場和應用中，需要遷移到高效的無刷直流電機變得越來越普遍。這是由于某些關鍵的好處： ? 效率更高（75% vs.交流電機的40%） ? 低熱量的產生 ? 可靠性高（無電氣觸點） ? 在危險的環境中安全操作（無碳刷粉塵產生在有刷電機中有）。 通過在關鍵子系統中使用無刷直流電機，可以減少整體重量。這意味著在汽車應用時提供更好的燃油經濟性。由于直流電機完全電子換向，在更高的速度時，它更容 易控制電機的轉矩和轉速。在世界各地，許多國家都面臨著電力不足，原因是電網不足。可以肯定的是，少數國家現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。 |
