為 BLDC 電機(jī)設(shè)計(jì)高效、高性能的驅(qū)動(dòng)電路

今天，人們對環(huán)境和節(jié)能的意識與以往一樣高。洗衣機(jī)、干衣機(jī)和冰箱等新一代大型家用電器必須具有更高的性能參數(shù)，例如更高的效率和更低的電磁干擾。系統(tǒng)靈活性必須很高，以促進(jìn)市場修改并縮短開發(fā)時(shí)間。設(shè)計(jì)人員必須進(jìn)行所有這些改進(jìn)，同時(shí)降低系統(tǒng)成本。

在效率和成本的推動(dòng)下，無刷直流 (BLDC) 電機(jī)在家用電器中越來越受歡迎。您現(xiàn)在可以在洗衣機(jī)、空調(diào)、冰箱等中找到它們。與有刷直流電機(jī)和交流電機(jī)不同，BLDC 電機(jī)有多種驅(qū)動(dòng)方式。每種驅(qū)動(dòng)程序方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，我們將在帖子中討論。

BLDC 驅(qū)動(dòng)器控制方法的重要性

BLDC 電機(jī)的電子換向器按順序從 u 相到 v 相再到 w 相，并為定子線圈通電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場，從而“拖動(dòng)”轉(zhuǎn)子。高效運(yùn)行依賴于線圈的精確通電，具體取決于定子和轉(zhuǎn)子的相對位置。BLDC 電機(jī)使用傳感器或無傳感器反饋進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置反饋。

在傳感器設(shè)計(jì)中，三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器集成電路 (IC) 安裝在電機(jī)定子附近的位置?；魻杺鞲衅?IC 轉(zhuǎn)換的時(shí)序?qū)?yīng)于反電動(dòng)勢 (BEMF) 過零。在無傳感器技術(shù)中，驅(qū)動(dòng)器取決于電機(jī) BEMF 零電壓交叉的時(shí)間。

許多應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向無傳感器驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)樗鼈兿穗姍C(jī)設(shè)計(jì)中的霍爾效應(yīng)傳感器 IC 和相關(guān)電路。BEMF 是速度的函數(shù)，其中啟動(dòng)時(shí) BEMF 為零。無傳感器設(shè)計(jì)需要復(fù)雜的開環(huán)啟動(dòng)算法，以便將電機(jī)加速到可以檢測到 BEMF 的速度?；魻枔Q向驅(qū)動(dòng)器始終檢測轉(zhuǎn)子位置，因此啟動(dòng)是可靠的，但會增加電機(jī)組件的額外成本。

電子換向有三種控制方案：

· 梯形。圖 1 中所示的梯形技術(shù)為兩相供電，一相為電機(jī)提供電流，另一相提供電流返回路徑。第三階段不驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器控制三相驅(qū)動(dòng)器中的哪兩個(gè)開關(guān)必須被正向或負(fù)向控制，以便為兩個(gè)有源線圈通電。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)端子的電流每旋轉(zhuǎn) 60 度就換向一次。梯形法的優(yōu)點(diǎn)是最容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是這種階梯式換向會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會導(dǎo)致速度變化，從而導(dǎo)致振動(dòng)和可聞噪聲。

圖 1：梯形控制和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

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正弦. 在實(shí)際設(shè)計(jì)中很少使用純正弦驅(qū)動(dòng)電壓，因?yàn)樗鼈儾荒転槊總€(gè)電機(jī)端子提供足夠的接地電壓。更好的方法是通過使用“鞍形”曲線改變相對于地的脈寬調(diào)制 (PWM) 占空比（以及驅(qū)動(dòng)電壓），在相之間生成正弦差分電壓，偏移 120 度以進(jìn)行換向（圖 2） ）。產(chǎn)生的相電流 然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)遵循相間電壓的純正弦波變化。鞍形曲線技術(shù)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，產(chǎn)生的最大差分電壓高于純正弦信號所能產(chǎn)生的電壓，為給定的輸入提供更高的扭矩和速度。其次，每個(gè)終端輸出在三分之一的時(shí)間內(nèi)為零，進(jìn)一步降低了功率級的開關(guān)損耗。

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圖 2：鞍座輪廓正弦控制

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磁場定向控制（FOC）。FOC 控制方法將三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流識別為兩個(gè)正交分量，可以用矢量表示（圖 3）。一個(gè)分量定義了電機(jī)的磁通量；另一個(gè)分量定義扭矩。驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)器速度控制給出的磁通和轉(zhuǎn)矩參考值計(jì)算相應(yīng)的電流分量參考值。電流比例積分 (PI) 控制方法控制驅(qū)動(dòng)器的 PWM 輸出。

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圖 3：FOC 控制理論

分析了三種控制方法后，FOC 需要復(fù)雜的算法來跟蹤電機(jī)扭矩，并且需要高性能微控制器 (MCU)。使用 BEMF 檢測模擬電路很容易實(shí)現(xiàn)梯形控制，但會在每次換向時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。正弦控制會在換向過程中計(jì)算 BEMF，但如果負(fù)載突然變化，計(jì)算將失敗。表 1 比較了每種控制方法。

表 1：BLDC 電機(jī)控制方法的比較

電器具有穩(wěn)定的排水泵和風(fēng)扇負(fù)載，正弦控制方案因其低成本、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低可聽噪聲和低響應(yīng)時(shí)間而成為最佳選擇。TI 的 DRV10987 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種單芯片正弦解決方案，適用于洗衣機(jī)排水泵和烘干機(jī)風(fēng)扇中使用的 50W BLDC 電機(jī)，正弦控制可將噪聲降低多達(dá) 13dB，并將效率提高多達(dá) 10% 。

DRV10987 將控制邏輯與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 集成在一起。您可以通過模擬電壓、PWM或I 2 C接口控制電機(jī)。借助 DRV10987，您可以設(shè)計(jì)外形小巧的緊湊型驅(qū)動(dòng)器。

圖 4 所示，詳細(xì)介紹了使用 DRV10987 的閉環(huán)速度控制。

圖 4：具有閉環(huán)速度控制的 24V、36W 無傳感器 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)

DRV10987 還集成了完整的保護(hù)邏輯，以實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)和冰箱等電器所需的強(qiáng)大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制方法。過流保護(hù)電路執(zhí)行相間、相間和地間短路和相間短路保護(hù)。集成的電流限制邏輯可以將相電流限制在 MOSFET 的峰值電流能力 (3A) 內(nèi)。轉(zhuǎn)子鎖定檢測具有快速準(zhǔn)確的方法來檢測丟失位置和轉(zhuǎn)子鎖定情況?？闺妷豪擞浚ˋVS）、過壓和欠壓保護(hù)可以防止芯片因直流總線故障而損壞。對于穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，集成熱保護(hù)可以防止芯片因過熱而損壞。