高性能低功耗三相BLDC电机控制系统的设计

时间:2022-03-17作者:佚名

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。

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