高性能低功耗三相BLDC电机控制系统的设计

如今，工程师将电机控制系统用于数字与模拟技术来应对过去面临的挑战，包括电机速度控制、旋转方向、漂移及电机疲劳等。微控制器 (MCU) 的应用为当代工程师提供了动态控制电机动作的机会，从而使其能够应对环境压力和状况。这有助于延长操作寿命并减少维修，从而降低成本。目前，电机制造商倾向于制造三相BLDC电机。原因在于BLDC电机不直接接触换向器和电气终端(有刷电机直接接触)，因而不仅可降低功耗增加扭矩，同时还可延长操作时间。遗憾的是，与有刷直流或交流电机相比，三相电机控制装置更加复杂。此外，数字与模拟组件之间的关系变得非常重要。

本文将简要探讨在三相BLDC电机应用中使用模拟组件和微控制器时应考虑的问题。同时还将重点介绍适合在直流电压从12V到300V不等的电源下驱动微控制器的电源管理装置及功率电平位移器。

对BLDC电机的需求究竟源自何处?

近来，设计师更喜欢使用高效的BLDC电机。这种趋势适用于众多市场和各种应用。目前，许多应用能够或已经使用BLDC电机替代过时的交流电机或机械泵技术。使用BLDC电机的重要优势包括：

· 更高效(达 75%，交流电机仅为 40%)

· 更少的热量

· 高耐久性(无刷型，所以无磨损)

· 可在危险环境下操作更加安全(无灰尘产生，而有刷电机则有)。

在主要子系统中使用BLDC电机还可降低整个系统重量。由于BLDC电机完全采用电子整流，因此更易于高速地控制电机的扭矩和RPM。全球政府正应对电网不足引起的有效功率不足。此外，全球许多地区必须应对需求高峰期产生的电源中断。因此，这些国家正在提供补贴或准备发放补贴，以便更有效地使用BLDC电机。

表1：无刷直流电机的优势

战略细分市场和应用

汽车 汽车市场中包含许多机械和液压泵/移动控制装置被替换的实例。具体应用包括燃油泵、动力转向、座椅控制、汽车HVAC(暖通空调)顶窗运动及挡风玻璃的刮水电机等。据计算，转换为BLDC电机后，可为每项上述功能节省约每加仑汽油多行驶一英里的能源。这需归功于显著的燃料节省及功率效率。

图1：车窗玻璃升降器原理框图

家电。家电市场中一些家电可得益于使用高效的BLDC电机。其中包括泵、风机、空调、搅拌器、手动工具及其它厨房用具。

图2：搅拌器电机控制原理框图

工业系统。多数泵、风机、空调、混合器及 HVAC 需要电机驱动。欧盟已经发布法令要求所有新的工业用具使用 BLDC 电机的三相“变频驱动”。

图3：空调原理框图

大型家电。使用高效BLDC电机可减少许多洗衣机和干衣机的用电量。

图4：洗衣机电机原理图。

表2：无刷直流电机驱动的关键区

BLDC电机通过什么驱动?

有几种方法可用于驱动BLDC电机;一些基本系统要求如下所列：

a. 大功率晶体管。这些通常是场效应管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，可承受高压(满足电机的要求)。多数家电使用的电机功率为1/2至3/4马力(1马力=734瓦特)。因此，典型电流能力可达到10A。对于高压系统而言(通常 >350V)，可使用IGBT。

b. MOSFET/IGBT驱动器。通常，可使用一组MOSFET/IGBT驱动器。可选择“半桥”驱动器或三相驱动器。这些解决方案能够操作的电压必须为电机电压的两倍，以应对电机产生的逆电动势 (EMF)。此外，这些装置需要通过设置时间和切换控制提供功率晶体管保护，从而确保底部晶体管打开之前关掉顶部晶体管。

c. 反馈元件/控制。设计师应在所有伺服控制系统中设置一些“反馈元件”。例如光学传感器、霍尔效应传感器、转速计及最简单的“EMF 传感”。各种反馈方法都非常有用，主要取决于所需精确度及所需RPM和扭矩。许多消费者电器通常使用反电动势传感的无传感器技术。

d. 模拟数字转换器 在许多情况下，需要设置模拟数字装置，以将模拟信号转换为数字信号，从而将数字信号发送至系统MCU。

e. MCU. 所有闭环控制系统(BLDC电机几乎一直属于此群组)均需要MCU，以实现伺服回路控制、计算、纠正、PID控制机传感器管理。这些数字控制器通常为16位，但是复杂性较低的应用可使用8位控制器。