正弦控制是達到這些目標的最佳方式,但相對于更為傳統(tǒng)的梯形控制技術(shù),這種控制則會增加成本和復(fù)雜性。本文將討論 BLDC 電機控制的基本原理,以及使用正弦控制而不是梯形控制的原因。
本文還將介紹一些現(xiàn)成的商業(yè)解決方案,包括集成式電機驅(qū)動器和控制器芯片等形式,這些方案可用于更加輕松地過渡到正弦控制并加快設(shè)計流程。
BLDC 電機基本原理
BLDC 電機通過反向電機設(shè)置消除了使用機械換向器的要求;繞組成為定子,永磁體成為轉(zhuǎn)子的一部分。繞組通常由使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制的六 MOSFET 電橋供電,它們按照控制次序進行轉(zhuǎn)向,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,從而“拖拽”圍繞它的轉(zhuǎn)子并驅(qū)動相連的負載(圖 1)。
換向由轉(zhuǎn)子和定子的相對位置確定,具體則通過霍爾效應(yīng)傳感器測量,或通過電機轉(zhuǎn)動時生成的反電動勢 (EMF) 幅度測量(限無傳感器電機)。
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目前有三種電子換向控制方案:梯形、正弦和磁場定向控制 (FOC)。FOC 實現(xiàn)成本高,專用于高端應(yīng)用,因此本文不做討論。
對于許多應(yīng)用,梯形控制的 BLDC 電機是最佳解決方案。這類電機結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠,且價格也在迅速下降,因此尤其適合許多小型電機應(yīng)用,包括汽車、白色家電和計算機。
此外,梯形技術(shù)最容易實現(xiàn),因此也最受歡迎。電機每相由直流供電,每 60˚ 進行換向。相位驅(qū)動為“高”、“低”或保持浮動狀態(tài)。
理論上,這樣的系統(tǒng)可產(chǎn)生平滑、恒定扭矩。實際上,特定相位的電流不可能瞬間由低轉(zhuǎn)為高。相反,所導(dǎo)致的上升時間在輸出中生成與轉(zhuǎn)向定時一致的波紋(圖 2)。
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轉(zhuǎn)矩波動不是梯形控制 BLDC 電機的唯一缺點。另一個缺點是電氣和聲學(xué)噪聲。一個重要的噪聲來源就是為每個相位供電的快速切換直流電流。從電氣角度來說,這種噪聲會加熱繞組并降低效能。從聲學(xué)角度來說,開關(guān)頻率及其諧波產(chǎn)生的“嗡嗡”聲音頻率雖然不是很大,但十分刺耳。
實施正弦控制
正弦控制十分復(fù)雜,很少有工程師可以僅借用基本原理就實現(xiàn)系統(tǒng)。一個更好的方法就是利用芯片供應(yīng)商的知識 BLDC 電機設(shè)計開發(fā)套件。NXP 的 FRDM-KE04Z 就是一個例子。
它利用 Kinetis KE04 ARM® Cortex®-M0 MCU 運行正弦算法。由于控制電路設(shè)計基于一種普通的 BLDC 驅(qū)動器芯片,因此進一步減輕了實現(xiàn)難度。這些設(shè)備通常將 PWM 控制和電力電子器件集成到一個芯片,并提供外部 MCU 的接口。其他設(shè)備集成 MCU,僅需一些額外的無源元器件就可以形成完整電路。
正弦替代方式:“鞍形”圖
實踐中極少使用純正弦驅(qū)動電壓,因為相對于接地而言,為每個電機端子生成電壓的效率很低。一個更好的方法就是在相位間生成正弦差分電壓,相位偏移 120˚ 進行換向。實現(xiàn)方式是通過使用“鞍形”圖(而不是正弦)改變相對于接地的 PWM 占空比(以及驅(qū)動電壓)(圖 3)。隨后,驅(qū)動電機的相電流就遵循相間電壓的純正弦波變化。
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鞍形圖方法有兩個優(yōu)點:第一,所產(chǎn)生的最大差分電壓要高于純正弦信號所能產(chǎn)生的電壓,因而給定輸入的扭矩和速度也更大。第二,每個端子 1/3 時間輸出為零,進一步減少了功率級中的開關(guān)損耗。
正弦控制方法的一個復(fù)雜之處在于:根據(jù)形成鞍形電壓輸入所必需的電機角度來精確控制占空比。這在高速旋轉(zhuǎn)時甚至變得更加困難。挑戰(zhàn)主要在于每轉(zhuǎn)只能精確確定電機位置六次,而轉(zhuǎn)子的其中一個磁極經(jīng)過三個霍爾傳感器中的一個。例如,F(xiàn)RDM-KE04Z 常用的解決方案是將電機角速度乘以 ∂T 并假定電機速度恒定,從而估算霍爾傳感器之間的電機角度 (“mtrAngle”)。
然后使用查詢表確定特定角度的 PWM 占空比。在 FRDM-KE04Z 中,查詢表為電機旋轉(zhuǎn)的每個角度(實際 384 個增量)提供占空比。
此類方法利用了使用鞍形圖的附帶影響。特別說明:由于特定相位的電壓值在三分之一時間內(nèi)為零,這段時間不需要查詢,因而需要的處理器資源更少,并允許在應(yīng)用中使用更普通的低成本 MCU。
這種方法的缺點是啟動階段電機快速加速時,霍爾傳感器之間的電機速度插值很可能不精確。這會導(dǎo)致扭矩響應(yīng)不平穩(wěn)。
針對這一問題,ROHM Semiconductor 的 BD62011FS 風(fēng)扇電機控制器采用的一種常見解決方案是:以梯形控制模式啟動電機,在達到特定速度(通常 5 - 100 Hz)后切換到正弦控制,此時插值的精確度更高。
Rohm 的設(shè)備主要針對配備霍爾傳感器的 BLDC 電機的控制。芯片采用高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 的 PWM 控制和正弦換向邏輯。它可在 10 到 18 V 輸入范圍內(nèi)運行,并提供介于 2.1 和 5.4 V(最高 1 W)的輸出范圍。目標應(yīng)用包括空調(diào)、水泵和白色家電。
另一個設(shè)計挑戰(zhàn)是給定相位驅(qū)動電壓和產(chǎn)生的正弦波電流之間的相位延遲,通常發(fā)生于非補償型 BLDC 電機。電機可正常運行,但效能將降低,這會首先挫敗實現(xiàn)正弦控制方案的目標。這種效能低下的原因不是驅(qū)動電壓和相位電流之間的相位延遲,而是相位電流和正弦反電動勢之間的相位延遲。
幸運的是,許多驅(qū)動芯片,包括 ON Semiconductor 的 LV8811G 功率 MOSFET 驅(qū)動器,允許設(shè)計人員在正弦驅(qū)動電流中引入超前相角,從而確保其峰值與反電動勢的峰值一致。超前相角通常設(shè)為隨輸入電壓線性增加,而電壓決定電機速度(圖 4)。
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LV8811G 是三相 BLDC 電機驅(qū)動器,由單個霍爾傳感器控制并采用正弦控制。直接 PWM 脈沖輸入或直流電壓輸入都可用于控制電機轉(zhuǎn)速。
使用 LV118811G 時,設(shè)計人員可通過引腳 PH1 和 PH2 上的分壓電阻器來設(shè)置初始條件:相角開始超前的速度和超前相角斜坡的梯度。之后芯片的內(nèi)部邏輯根據(jù)預(yù)定公式確定給定速度的超前相角。
無傳感器 BLDC 正弦控制
正弦控制還可通過無傳感器的 BLDC 電機實現(xiàn)。這些電機的運行方式與使用霍爾效應(yīng)傳感器的電機相似,除了位置信息是通過測量反電動勢獲得。
例如,Texas Instruments 的 DRV10983 就是設(shè)計用于無傳感器的 BLDC 電機的正弦控制。芯片集成電力電子器件,可以連接外部 MCU 并提供高達 2 A 的連續(xù)驅(qū)動電流。正弦控制通過使用公司的專有控制方案來實現(xiàn)。
在該方案中,換向控制算法連續(xù)測量電機相電流并定期測量供電電壓。然后,設(shè)備使用該信息計算反電動勢和電機位置。電機速度由單位時間內(nèi)一個相位的反電動勢的過零次數(shù)確定。芯片還允許超前相角,以調(diào)整相電流和反電動勢,從而實現(xiàn)最大效能。
DRV10983 是專門設(shè)計用于成本敏感、低噪聲、低外部元器件計數(shù)的應(yīng)用(圖 5)。
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總結(jié)
BLDC 電機由于性能和可靠性的優(yōu)勢,正逐漸成為傳統(tǒng)有刷型電機的替代產(chǎn)品。對于許多應(yīng)用,梯形控制可滿足使用預(yù)期,但如果設(shè)計人員的任務(wù)是提高效能、減少電氣和聲學(xué)噪聲并提高扭矩傳遞,則應(yīng)考慮正弦控制。
雖然正弦控制增加了復(fù)雜度和成本,但開發(fā)工具、功能性 MCU 以及集成驅(qū)動器 IC 已大大簡化了設(shè)計流程,使正弦控制更加實用簡單。不僅如此,開發(fā)工具的靈活性和驅(qū)動器 IC 的適應(yīng)性使設(shè)計人員能夠精調(diào)應(yīng)用的電機,并更多關(guān)注產(chǎn)品差異化方面。 |