使用逐周期電流限制控制保護(hù)我們的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器 – 第 1 部分

無刷直流 (BLDC) 電機(jī)因其高效率、高扭矩重量比、低維護(hù)和長壽命而廣受歡迎。三相無刷直流電機(jī)由三相繞線定子和帶有永磁體的轉(zhuǎn)子組成。BLDC 電機(jī)中沒有電刷，因此需要使用電子驅(qū)動器來正確換向電機(jī)繞組中的電流。

BLDC 電機(jī)最常見的電力電子驅(qū)動器是三相 H 橋逆變器。電機(jī)繞組電流根據(jù)位置傳感器反饋或無傳感器算法進(jìn)行換向。BLDC 電機(jī)由 120 度梯形控制驅(qū)動，其中一次只有兩個繞組導(dǎo)通。繞組電流由單極開關(guān)(軟斬波)控制，三相逆變器的每個開關(guān)在此處導(dǎo)通 120 度電周期。使用公式 1 中給出的電機(jī)電氣模型計(jì)算任意時刻 BLDC 電機(jī)的繞組電流。

其中 V 是施加在兩個導(dǎo)電繞組上的電壓，R 是線間電機(jī)繞組電阻，L 是線間電機(jī)繞組電感，E 是線間反電動勢(電磁場)。

等式 1 表明瞬時繞組電流取決于反電動勢、電機(jī)電阻、電感和施加電壓。電機(jī)的反電動勢與其角速度成正比;因此在失速條件(零速度)下，反電動勢為零。這意味著當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時，電機(jī)繞組中的穩(wěn)態(tài)電流僅受電機(jī)電阻的限制。當(dāng)電機(jī)在高(過)電流下飽和時，電感下降，電流上升甚至比標(biāo)稱電流水平更快。

考慮一個額定功率為 400W、額定直流電壓為 220V 和額定 RMS 繞組電流為 3.6A 的 BLDC 電機(jī)的示例。電機(jī)的繞組電阻約為 6Ω。因此失速電流 = V/R = 220V/6Ω = 36.67A。這意味著，如果我們沒有適當(dāng)?shù)南蘖鞅Ｗo(hù)，則逆變器級的額定電流必須為 36.67A。

如果允許電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)承載失速電流：

· 逆變器級必須額定承載失速電流，這使得逆變器級體積龐大且成本高昂。

· 讓電機(jī)繞組長時間承載失速電流會使電機(jī)過熱。這可能會導(dǎo)致繞組燒毀。此外，永磁體可能會因高溫或高退磁電流而退磁。

如果我們針對額定電流設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，則需要適當(dāng)?shù)睦@組過流保護(hù)來保護(hù)逆變器級和電機(jī)。要實(shí)現(xiàn)繞組過流保護(hù)，第一步是檢測繞組電流。

理想情況下，我們可以通過將電流傳感器與所有相串聯(lián)或在所有逆變器支路中放置電流傳感器來測量三相繞組電流?；蛘撸覀兛梢愿袦y兩個相電流并通過將所有相電流的代數(shù)和設(shè)為零來確定第三相電流。

在 BLDC 電機(jī)的梯形控制期間，對于每個 60 度電氣換向周期，只有兩個逆變器支路處于活動狀態(tài)并為電機(jī)供電;通過同時關(guān)閉高側(cè)和低側(cè)開關(guān)，第三個逆變器支路保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)。任何時候都只有兩個階段開啟。這意味著我們可以通過感測直流母線電流來測量繞組電流。我們可以在直流總線返回處放置一個低成本檢測電阻器來檢測電機(jī)電流，如圖 1 所示。

對于單極二象限驅(qū)動，僅將脈寬調(diào)制 (PWM) 應(yīng)用于一個有源橋臂的高側(cè)開關(guān)。在整個 60 度電氣換向期間，另一個有源腿的低側(cè)開關(guān)將保持打開狀態(tài)。

考慮一個換相期，其中 A 和 B 相處于活動狀態(tài)。當(dāng)頂部開關(guān)打開時，兩相繞組將通電。當(dāng)頂部和底部開關(guān)打開時，直流母線電流與繞組電流相同。當(dāng)頂部 PWM 為低電平時，頂部開關(guān)關(guān)閉，繞組電流將通過 Q2 的二極管續(xù)流。在此續(xù)流期間(頂部開關(guān)關(guān)閉而底部開關(guān)打開)，繞組電流不流過直流母線;因此直流母線電流為零。續(xù)流期間電流不增加，而是減少。這表明直流母線電流測量足以提供繞組過流保護(hù)。

從我到目前為止的解釋中，我們可以看到可以通過感測直流母線電流來控制電機(jī)繞組電流。我們可以通過檢測直流母線電流并針對標(biāo)稱電機(jī)電流設(shè)計(jì)逆變器，而不是針對失速電流進(jìn)行過度設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)峰值電流限制控制。對于低電感 BLDC 電機(jī)(通常從幾個微亨到幾十毫亨)，較高的繞組電阻電感比會導(dǎo)致較高的繞組電流上升率。限流保護(hù)必須快速(遠(yuǎn)低于 1μs)并在每個 PWM 周期起作用以避免任何短電流尖峰。

在第 2 部分中， 我將討論如何通過檢測直流總線電流和使用超低功耗微控制器來實(shí)現(xiàn)逐周期過流保護(hù)。