高性能低功耗三相BLDC電機控制系統的設計

BLDC通常使用三個相位(繞組)，每個相位具有120度的導通間隔(參見圖7)。

圖7：六步換向

由于為雙向電流，每個相位按照每個導通間隔有兩個步驟。這是一種鍍錫六步換向。例如，換向相序可為AB-AC-BC-BA-CA-CB。每個導電階段標記一個步驟，任何時候只能由兩個繞組導通電流，第三個繞組懸空。未勵磁繞組可用作反饋控制，構成無傳感器控制算法特征的基礎。

為了保持在轉子之前的定子內部的磁場，并產生最佳扭矩，必須在精確的轉子位置完成從一個扇形區到另一個的過渡。通過每 60 度轉向的開關電路獲得最大扭矩。所有開關控制算法均包含在MCU中。微控制器可通過MOSFET驅動器控制開關電路。MOSFET驅動器包含適當響應時間(如 維持延遲及上升和下降時間)和驅動能力(包括轉換MOSFET/IGBT “開”或“關”狀態所需的門驅動電壓和電流同步)。

轉子位置對于確定電機繞組換向所需的正確力矩非常重要。在精度要求較高的應用中，可使用霍爾傳感器或轉速計計算轉子的位置速度和轉矩。在首要考慮成本的應用中，逆電動勢 (EMF) 可用于計算位置、速度和轉矩。

逆電動勢是指永久磁鐵在定子繞組中產生的電壓。電機轉子旋轉時會出現這種情況。共有三個可用于控制和反饋信號的主要逆電動勢特征。第一，適用于電機速度的逆電動勢等級。因此，設計師使用工作電壓至少為標準電壓的2倍的MOSFET驅動器。第二，逆電動勢信號的斜率隨速度增加而增加。第三亦即最后者，如圖8所示的“交叉事件”中逆電動勢信號是對稱的。精確檢測交叉事件是執行逆電動勢算法的關鍵。逆電動勢模擬信號可使用高壓運算放大器和模擬數字轉換器(廣泛應用于最現代的微控制器)按每個混合信號電路轉化至MCU。每個至少需要一個ADC。

圖8：交叉事件

使用無傳感器控制時，啟用順序至關重要，這是由于MCU最初不確定轉子的初始位置。首先啟動電機，激勵兩個繞組，同時從逆電動勢反饋回路進行幾次測量，直到確定了精確位置。

通常可使用具有MUC的閉環控制系統操作BLDC電機。MCU可執行伺服回路控制、計算、糾正、PID控制及傳感器管理(如逆電動勢、霍爾傳感器或轉速計)(參見圖9)。這些數字控制器通常為8位或更高，需要EEPROM儲存固件，從而獲得設置所需電機速度、方向及維持電機穩定性所需的算法。通常，MCU 可提供允許無傳感器電機

控制構架的ADC。該構架可節省寶貴成本和電路板空間。MCU兼具較強可構造性和靈活性，可滿足優化應用算法之所需。模擬IC可為MUC提供高效電源、電壓調整、電壓基準，能夠驅動MOSFET或IGBT及故障保護。采用這兩種技術均可高效地操作三項BLDC電機，且與感應電機和有刷電機價格相當。

圖9：閉環控制

總結

在許多市場和應用中，向高效BLDC電機過渡的趨勢越來越普遍。這是由于BLDC電機用于以下優勢：

· 高效(達75%，交流電機僅為40%)

· 熱量更少

· 更高可靠性(無電觸頭)

· 可在危險環境下操作更加安全(無灰塵產生，而有刷電機則有)。

通過在關鍵任務子系統中使用 BLDC 電機，可減少重量。這意味著在車輛中應用節約更多燃油。由于 BLDC 電機完全采用電子整流，因此更易于高速地控制電機的扭矩和 RPM。全球許多國家面臨著電網不足引起的有效功率不足。可以肯定的是，為了更有效地使用 BLDC電機，少數國家正在提供補貼或正準備提供補貼。BLDC 部署是在避免對我們的生活方式造成不利影響的前提下促進綠色環保，節約全球寶貴資源的趨勢之一。