BLDC電機(jī)換向的原理 三相BLDC電機(jī)設(shè)計(jì)解析

　　無刷直流 （BLDC） 電機(jī)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(lì)直流電機(jī)電樞中的繞組的傳統(tǒng)機(jī)制。

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

　　此外，BLDC 電機(jī)更耐用。它保持其高性能，而等效的傳統(tǒng)電機(jī)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(jī)在給定的功率輸出下做得更小、更輕、更安靜，從而進(jìn)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(jī)的其他優(yōu)點(diǎn)包括卓越的速度與扭矩特性（啟動(dòng)時(shí)的扭矩除外）、更動(dòng)態(tài)的響應(yīng)、無噪音運(yùn)行和更高的速度范圍。

　　BLDC 電機(jī)的缺點(diǎn)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(shí)，以實(shí)現(xiàn)精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制，并確保電機(jī)以最高效率運(yùn)行。

　　幸運(yùn)的是，這個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)器功率 MOSFET 芯片，帶有外部或嵌入式微控制器，以簡化設(shè)計(jì)過程，同時(shí)降低組件成本。本文將解釋設(shè)計(jì)人員如何利用這些最新芯片來簡化設(shè)計(jì)過程

　　BLDC 電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

　　所有電動(dòng)機(jī)，無論是機(jī)械換向還是電子換向，都遵循將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的相同基本方法。通過繞組的電流會(huì)產(chǎn)生磁場，在存在第二個(gè)磁場（通常由永磁體啟動(dòng)）的情況下，該磁場會(huì)在該繞組上產(chǎn)生一個(gè)力，當(dāng)其導(dǎo)體與第二個(gè)磁場成 90° 時(shí)，該力達(dá)到最大值。增加線圈的數(shù)量會(huì)提高電機(jī)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(jī)的基本概念。）

　　BLDC 電機(jī)通過反轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)置克服了對(duì)機(jī)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(gè)繞組。轉(zhuǎn)子由一個(gè)軸和一個(gè)帶有永久磁鐵的輪轂組成，這些永久磁鐵排列成兩到八個(gè)在“N”和“S”之間交替的極對(duì)。圖 1 顯示了常見磁體布置的一個(gè)示例，在這種情況下，兩個(gè)磁體對(duì)直接粘合到轉(zhuǎn)子輪轂上。

　　圖 1：在 BLDC 電機(jī)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(duì)。（禮貌：MPS）

　　因?yàn)槔@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(dòng)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(jī)被稱為“同步”型。BLDC 電機(jī)可以是一相、二相或三相。三相 BLDC 電機(jī)是最常見的，將成為本文其余部分的主題。

　　BLDC 電機(jī)控制

　　到目前為止，向三相 BLDC 電機(jī)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(duì)功率 MOSFET，如圖 2 所示。每對(duì)功率 MOSFET 控制電機(jī)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(jìn)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(dòng)電壓。PWM 的使用可以限制啟動(dòng)電流并提供對(duì)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(jìn)行權(quán)衡，在極端情況下，可能會(huì)損壞電機(jī)。通常，設(shè)計(jì)人員使用的 PWM 頻率至少比最大電機(jī)轉(zhuǎn)速高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　圖 2：三相 BLDC 電機(jī)通常由以橋式結(jié)構(gòu)排列并由 PWM 控制的三對(duì) MOSFET 供電。PWM 提供對(duì)電機(jī)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(gè)繞組通電（一個(gè)“高”和一個(gè)“低”），而另一個(gè)繞組浮動(dòng)。梯形方法的缺點(diǎn)是這種“階梯式”換向會(huì)導(dǎo)致扭矩“波動(dòng)”，尤其是在低速時(shí)。

　　正弦控制更復(fù)雜，但它減少了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在此控制狀態(tài)下，所有三個(gè)線圈都保持通電狀態(tài)，每個(gè)線圈中的驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)負(fù)載變化期間提供更好的性能。幾乎沒有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在低速和高速下都可以實(shí)現(xiàn)更平滑、更精確的電機(jī)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(jī)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(jī)高效運(yùn)行。切換順序由轉(zhuǎn)子磁體對(duì)和定子繞組的相對(duì)位置決定。三相 BLDC 電機(jī)需要六步換向序列才能完成一個(gè)電氣循環(huán)。每個(gè)電循環(huán)的機(jī)械轉(zhuǎn)數(shù)由轉(zhuǎn)子上的磁體對(duì)數(shù)決定。例如，將需要兩個(gè)電循環(huán)來機(jī)械旋轉(zhuǎn)由兩對(duì)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(gè)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(jī)。

　　在配備傳感器的 BLDC 電機(jī)中，每個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器都與一個(gè)開關(guān)組合，該開關(guān)產(chǎn)生邏輯“高”（對(duì)于一個(gè)磁極）或“低”（對(duì)于相反磁極）信號(hào)。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(hào)來確定的。在任何時(shí)候，至少有一個(gè)傳感器被轉(zhuǎn)子的一個(gè)磁極觸發(fā)并產(chǎn)生電壓脈沖。

　　圖 3 顯示了逆時(shí)針驅(qū)動(dòng)的三相 BLDC 電機(jī)的換向順序?；魻栃?yīng)傳感器安裝在位置“a”、“b”和“c”。對(duì)于換向序列中的每一步，MOSFET 橋?qū)⒁粋€(gè)繞組（“U”、“V”或“W”）驅(qū)動(dòng)為高電平，同時(shí)將一個(gè)繞組驅(qū)動(dòng)為低電平，第三個(gè)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(shí)針移動(dòng)，因?yàn)樗挠来朋w被一個(gè)繞組排斥并被下一個(gè)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(dòng)，W 切換為低電平，從而保持磁場的“旋轉(zhuǎn)”并隨之移動(dòng)轉(zhuǎn)子。剩余的換向步驟，一個(gè)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(jī)的電子換向序列。在這種情況下，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針驅(qū)動(dòng)，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(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)的霍爾效應(yīng)傳感器信號(hào)相關(guān)的相繞組狀態(tài)。

　　圖 4：逆時(shí)針驅(qū)動(dòng)的三相 BLDC 電機(jī)的霍爾效應(yīng)傳感器邏輯開關(guān)輸出和繞組狀態(tài)時(shí)序圖。請注意至少有一個(gè)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(jī)利用電動(dòng)勢 （EMF） 在任何直流電機(jī)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(jī)的旋轉(zhuǎn)，因此被稱為“反”EMF。對(duì)于具有固定磁通量和繞組數(shù)量的給定電機(jī)，EMF 與轉(zhuǎn)子的角速度成正比。

　　通過監(jiān)控反電動(dòng)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(duì)位置，而無需霍爾效應(yīng)傳感器。這簡化了電機(jī)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(jī)連接，從而提高了可靠性。

　　然而，由于靜止電機(jī)不產(chǎn)生反電動(dòng)勢，控制器無法在啟動(dòng)時(shí)確定電機(jī)位置。解決方案是以開環(huán)配置啟動(dòng)電機(jī)，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(jī)用于禁止反向旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用，則使用更復(fù)雜的控制機(jī)制。

　　上述 BLDC 電機(jī)的每個(gè)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢如圖 5 的下半部分所示。這與配備傳感器的可比 BLDC 電機(jī)的霍爾效應(yīng)傳感器邏輯開關(guān)輸出進(jìn)行了比較。從圖中可以看出，繞組中產(chǎn)生的電動(dòng)勢的零交叉點(diǎn)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(jī)中換向周期的每個(gè)階段。（請參閱圖書館文章“通過反電動(dòng)勢控制無傳感器、BLDC 電機(jī)”。）

　　圖 5：逆時(shí)針驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)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(jī)的反電動(dòng)勢信息的零交叉點(diǎn)如何與配備傳感器的 BLDC 電機(jī)中邏輯開關(guān)的狀態(tài)變化相一致。（禮貌：MPS）

　　設(shè)計(jì) BLDC 電機(jī)

　　雖然涉及 BLDC 電機(jī)換向的原理，但 BLDC 電機(jī)功率和控制電路設(shè)計(jì)并非必須如此。市場上有許多經(jīng)過驗(yàn)證的集成產(chǎn)品可用作電路的構(gòu)建塊。包含柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器用作 BLDC 電機(jī)的六功率 MOSFET 橋的預(yù)驅(qū)動(dòng)器。該設(shè)備專為電池供電的產(chǎn)品而設(shè)計(jì)。節(jié)能的一個(gè)顯著特點(diǎn)是低功耗睡眠模式，可確保設(shè)備在不轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)時(shí)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(duì)外部肖特基二極管的需求。

　　Microchip還為 BLDC 電機(jī)的六功率 MOSFET 橋提供預(yù)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè)低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器和一個(gè)電荷泵來為 MOSFET 橋供電。

　　該芯片通過測量浮動(dòng)繞組的反電動(dòng)勢來使事情變得簡單，然后將其與電機(jī)的中性點(diǎn)進(jìn)行比較。當(dāng)反電動(dòng)勢越過零點(diǎn)時(shí)，過零檢測器向主機(jī)控制器發(fā)送信號(hào)以指示換向參考點(diǎn)。

　　Texas Instruments的DRV8313通過集成三個(gè)可單獨(dú)控制的半 H 橋驅(qū)動(dòng)器更進(jìn)一步。這種安排的優(yōu)勢在于，除了用于三相 BLDC 電機(jī)控制外，該芯片還可用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械換向電機(jī)（使用兩個(gè)半 H 橋）或三個(gè)獨(dú)立的螺線管。該芯片可通過 8 至 60 V 電源提供高達(dá) 3.5 A 的電流。

　　DRV8313 不包括傳感器輸入。TI 建議，對(duì)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(jī)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(jī)的完整閉環(huán)控制系統(tǒng)。該電路包括一個(gè)模擬速度輸入、監(jiān)控功率 MOSFET 的 PWM 輸出的 MSP430 微控制器、一個(gè)六 MOSFET 橋驅(qū)動(dòng)器、MOSFET 橋和 BLDC 電機(jī)。電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子位置由向微控制器提供信號(hào)的三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器確定。（禮貌：德州儀器）

　　TI 提供了一個(gè)替代部件DRV8308，它不集成 MOSFET。但是，它可以直接從三個(gè)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(yàn)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(hào)調(diào)節(jié)器，可以用單個(gè)器件替代典型三相 BLDC 電機(jī)設(shè)計(jì)中的三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省空間并且只需要使用單個(gè)信號(hào)。

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

　　單個(gè)各向異性磁阻傳感器可以放置在安裝在 BLDC 電機(jī)軸端的圓盤磁鐵附近，取代三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器用于 BLDC 電機(jī)角度傳感，節(jié)省空間并簡化信號(hào)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(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換為 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器或外部微控制器所需的數(shù)字信號(hào)。

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

　　結(jié)論

　　BLDC 電機(jī)的電子換向需要精確控制，這增加了電機(jī)電路的復(fù)雜性和成本。然而，效率的回報(bào)，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(yuǎn)遠(yuǎn)抵消了這些缺點(diǎn)。此外，各種經(jīng)過驗(yàn)證的集成 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器顯著簡化了設(shè)計(jì)過程，同時(shí)增加了設(shè)計(jì)人員針對(duì)特定應(yīng)用微調(diào)設(shè)計(jì)的靈活性。

　　參考：

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