正弦波驅(qū)動(dòng)超前角怎么控制？有了這個(gè)器件可以省事一半

近年來(lái)，隨著家電產(chǎn)品的無(wú)繩化、小型化和節(jié)能環(huán)保的推動(dòng)；電動(dòng)汽車、HVAC的增長(zhǎng)，以及半導(dǎo)體和鋰電池技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了BLDC電機(jī)的快速發(fā)展，BLDC控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為行業(yè)研究新方向，電子發(fā)燒友希望通過(guò)舉辦BLDC控制研討會(huì)，構(gòu)建電機(jī)行業(yè)交流，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)分享與探討，促進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展。但2020年一場(chǎng)突如其來(lái)的疫情給我們的工作生活帶來(lái)了不便，原本計(jì)劃的線下電機(jī)研討會(huì)也因?yàn)橐咔樵蚋臑榫€上發(fā)布，然而此次研討會(huì)的熱度卻不遜色于線下，報(bào)名觀看人數(shù)達(dá)1901人，ROHM、中電港、ST等廠商參與此次大會(huì)并做了電機(jī)技術(shù)與發(fā)展前景方面的分享，大會(huì)期間還穿插著抽獎(jiǎng)活動(dòng)，觀眾參與度高。

此次大會(huì)ROHM的設(shè)計(jì)工程師劉爍給我們分享了電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，劉爍在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面擁有豐富的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)，他的分享讓工程師們收獲良多。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，工業(yè)化與自動(dòng)化水平的提高，電機(jī)作為主要的動(dòng)力源泉，消耗的電力占到全球電力消耗的40%，許多國(guó)家都在推動(dòng)電機(jī)往節(jié)能化方向發(fā)展，其中日本推出了變頻技術(shù)并得到廣泛使用。

我國(guó)作為制造大國(guó)，工業(yè)電機(jī)使用量巨大，同時(shí)在家電電機(jī)使用數(shù)量上達(dá)到全球第一，這在一定程度上使得消耗的電力增加，節(jié)能技術(shù)的發(fā)展變得刻不容緩，節(jié)能技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)整個(gè)電機(jī)行業(yè)技術(shù)升級(jí)，由早期的感應(yīng)電機(jī)到后來(lái)的鎳鋅鐵氧體永磁電機(jī)，再到后來(lái)的變頻控制的同步電機(jī)，每次電機(jī)的升級(jí)都代表著整個(gè)行業(yè)的變遷。

對(duì)于電機(jī)模型劉工談到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)切線方向力矩為0，此外電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)半圈都需要進(jìn)行一次換向，而直流有刷電機(jī)就能解決這兩個(gè)問(wèn)題。直流有刷電機(jī)將3個(gè)線圈分布在不同方向上，通過(guò)碳刷與磁場(chǎng)觸點(diǎn)位置不同進(jìn)行換向，從下圖輸出力矩的曲線上可知直流有刷電機(jī)輸出力矩存在波動(dòng)，但沒(méi)有死點(diǎn)。

直流有刷電機(jī)作為使用最廣泛的電機(jī)，一定有許多優(yōu)點(diǎn)，比如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單甚至可以不用驅(qū)動(dòng)電路，只需接上電源即可。但有刷電機(jī)也存在一些缺點(diǎn)，由于使用碳刷進(jìn)行換向，必要造成碳刷磨損嚴(yán)重，觸點(diǎn)位置容易產(chǎn)生火花等。為解決這個(gè)問(wèn)題，無(wú)刷電機(jī)成為一種非常好的解決方案。

無(wú)刷電機(jī)通過(guò)使用電子元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)換向，避免了碳刷磨損，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，同時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行換向，而驅(qū)動(dòng)電路主要是由一個(gè)控制IC與三級(jí)功率驅(qū)動(dòng)器件組成，功率輸出器件可選擇大功率輸出的MOSFET也可以選擇IGBT，當(dāng)然還需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，霍爾傳感器就是其中的一種解決方案。

方波驅(qū)動(dòng)作為無(wú)刷電機(jī)一種常用驅(qū)動(dòng)方式，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但也在一些問(wèn)題，最常見的就是振動(dòng)與噪音大，當(dāng)我們不考慮線圈電感的影響時(shí)，輸入理想的方波電流，力矩仍然存在波動(dòng)。當(dāng)考慮到線圈電感時(shí)，換向過(guò)程會(huì)發(fā)生急劇的充放電，造成較大的振動(dòng)與噪音。為解決這個(gè)問(wèn)題，技術(shù)人員開發(fā)出了梯形波驅(qū)動(dòng)。

通過(guò)在換相時(shí)通過(guò)PWM使電流平緩衰減，降低振動(dòng)與噪音，同時(shí)在本身沒(méi)通電的60度區(qū)間進(jìn)行通電，在一定程度上提高了電機(jī)運(yùn)行效率。然而梯形波并不能完全解決這個(gè)問(wèn)題，隨著功率器件的發(fā)展，正弦波驅(qū)動(dòng)成為解決振動(dòng)與噪音的根本解決方式。

通過(guò)輸入一個(gè)與反電動(dòng)勢(shì)相同相位的正弦波電流，在理想條件下，可以消除力矩波動(dòng)，但實(shí)際應(yīng)用中線圈中存在電感，容易出現(xiàn)電流相位滯后于反電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)輸出力矩會(huì)下降，也就是效率的下降，為解決這個(gè)問(wèn)題最容易想到的就是將輸出電壓相位加上一個(gè)超前角度。

正弦波驅(qū)動(dòng)能有效降低振動(dòng)與噪音，成為一種使用比較廣泛的驅(qū)動(dòng)方式，但超前角度不容易控制，超前角度太大與太小都會(huì)影響電機(jī)的效率。在不同超前角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖，正弦波控制能有效消除噪音，但超前角如果沒(méi)配合好，也會(huì)造成效率下降。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，需要考慮驅(qū)動(dòng)之間開關(guān)速度以及控制IC的輸出斜率大小，為此ROHM提出了一種正弦波解決方案，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)電路框架集合到控制邏輯IPM中，設(shè)計(jì)者無(wú)需再對(duì)IC控制三級(jí)驅(qū)動(dòng)與功率器件的細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)超前角0~40°范圍的控制，有效降低設(shè)計(jì)難度。

此次電機(jī)研討會(huì)劉工的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制分享讓我們受益匪淺，在實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)不同場(chǎng)合可以選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式，而正弦波驅(qū)動(dòng)方式憑借其低噪音、低振動(dòng)的特性，運(yùn)用在空調(diào)風(fēng)機(jī)、散熱風(fēng)扇等產(chǎn)品中，應(yīng)用范圍廣泛。

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