帶霍爾傳感器的三相無刷直流電機控制

無刷直流電動機 (BLDC)，也稱為電子換向電動機（ECM、EC 電動機）或同步直流電動機，是由直流電通過逆變器或開關(guān)電源供電的同步電動機，該同步電動機會產(chǎn)生交流電流來驅(qū)動各相通過閉環(huán)控制器控制電機。控制器向控制電機速度和扭矩的電機繞組提供電流脈沖。

與有刷電機相比，無刷電機的優(yōu)勢在于高功率重量比、高速度和電子控制。無刷電機在計算機外圍設(shè)備（磁盤驅(qū)動器、打印機）、手持電動工具以及從模型飛機到汽車的車輛等地方都有應(yīng)用。

該項目描述了如何使用 GreenPAK? 控制三相無刷直流電機。

下面我們描述了了解解決方案如何編程以創(chuàng)建直流電機控制所需的步驟。但是，如果您只是想得到編程的結(jié)果，下載GreenPAK Designer 軟件查看已經(jīng)完成的GreenPAK Design 文件。將GreenPAK 開發(fā)套件插入您的計算機，然后點擊程序來設(shè)計設(shè)備。

構(gòu)造和運行原理

BLDC 電機的結(jié)構(gòu)和操作與交流感應(yīng)電機和有刷直流電機非常相似。與所有其他電機一樣，BLDC 電機也由轉(zhuǎn)子和定子組成（圖 1）。

BLDC 電機定子由疊層鋼制成，用于承載繞組。定子中的繞組可以按兩種模式排列 - 星形圖案 (Y) 或三角形圖案 (Δ)。兩種模式之間的主要區(qū)別在于 Y 模式在低 RPM 時提供高扭矩，而 ? 模式在低 RPM 時提供低扭矩。這是因為在 ? 配置中，一半的電壓施加在未驅(qū)動的繞組上，從而增加了損耗，進(jìn)而增加了效率和扭矩。BLDC 電機使用電氣循環(huán)進(jìn)行控制。一個電循環(huán)有 6 個狀態(tài)?；诨魻?a target="_blank">傳感器的電機換向序列如圖 2 所示。

BLDC 電機運行的基本原理與有刷直流電機相同。對于有刷直流電機，反饋是使用機械換向器和電刷實現(xiàn)的。在 BLDC 電機中，使用多個反饋傳感器實現(xiàn)反饋。最常用的傳感器是霍爾傳感器和光學(xué)編碼器。

在三相 BLDC 中，齒（極）數(shù)是 3 的倍數(shù)，磁鐵數(shù)是 2 的倍數(shù)。 根據(jù)磁鐵和齒的數(shù)量，每個電機具有不同數(shù)量的齒槽效應(yīng)（即磁吸力）轉(zhuǎn)子和定子）每轉(zhuǎn)步數(shù)。要計算步數(shù) (N)，我們需要知道電機中使用了多少個齒和多少個磁鐵。該項目中使用的電機有 12 個齒（極）和 16 個磁鐵。

因此，要轉(zhuǎn)動 1 圈，我們需要生成 48 個電步。

設(shè)計

主要框圖和典型應(yīng)用電路分別如圖3和圖4所示。

該設(shè)計有 2 個輸入來控制電機速度和方向。PIN#8 控制方向；Pin#8 上的高電平表示電機順時針旋轉(zhuǎn)，低電平表示逆時針旋轉(zhuǎn)。PIN#2 用于通過輸入頻率控制速度。此引腳上沒有頻率信號將關(guān)閉驅(qū)動器，電機將停止。在前 500 毫秒內(nèi)向該引腳施加頻率將啟動電機。使用輸入頻率使我們能夠非常精確地控制電機速度。要計算 RPM，我們需要知道電機包含多少個電步：

此應(yīng)用中的電機有 48 步，因此在 5kHz 的頻率下，電機將以 6250 RPM 運行。

該設(shè)計可分為 4 個部分（圖 5）：霍爾傳感器的處理塊、柵極驅(qū)動器塊、PWM 控制或速度控制塊以及保護(hù)塊。

霍爾傳感器的處理模塊包括 ACMP（ACMP0、ACMP3、ACMP4）、去毛刺濾波器（DLY1、DLY5、DLY6）和 DFF（DFF6、DFF7、DFF8）。本項目中使用的霍爾傳感器有 4 個引腳；VDD、GND 和 2 個連接到 ACMP 的 IN+ 和 IN- 輸入的差分輸出。內(nèi)部 Vref 組件設(shè)置為 1.2 V，用作霍爾傳感器的 VDD。來自 ACMP 的濾波信號進(jìn)入 DFF 的 D 輸入。輸入頻率為這些 DFF 提供時鐘并設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度。來自這些 DFF 的信號進(jìn)入柵極驅(qū)動器和配置為 XNOR 的 3 位 LUT14。結(jié)果是每次任何霍爾傳感器改變其極性時，輸出電平都會交替變化。兩個邊沿檢測器都會生成實際速度頻率（霍爾頻率），將其與輸入頻率進(jìn)行比較以生成 PWM 信號來控制旋轉(zhuǎn)速度。

柵極驅(qū)動器模塊包括 12 個 3 位 LUT，可根據(jù)霍爾傳感器的反饋對外部晶體管進(jìn)行換向。其中 6 個 LUT（3 位 LUT8 – 3 位 LUT13）用于 CW 方向，另外 6 個（3 位 LUT1 – 3 位 LUT6）用于切換到 CCW 方向。該模塊還包括 3 個 2 位 LUT（2 位 LUT4、2 位 LUT5 和 2 位 LUT6），用于將每相 PMOS 晶體管的信號與 PWM 混合，以確保轉(zhuǎn)速與負(fù)載無關(guān)。

PWM 控制包括 PWM2 組件、計數(shù)器 CNT8、有限狀態(tài)機 FSM1、3 位 LUT15、2 個 DFF（DFF0 和 DFF1）、上升沿檢測器 PDLY0 和反相器 INV0。DFF0 和 DFF1 一起用作頻率比較器；當(dāng)輸入頻率高于霍爾頻率時，DFF0 nQ 輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)輸入頻率低于霍爾頻率時，DFF1 nQ 輸出變?yōu)榈碗娖健Ｔ凇?”輸入為低電平時，PWM2 OUT+ 輸出將生成占空比范圍為 256/256 至 1/256 的 PWM 信號。在“-”輸入為低電平時，PWM2 OUT+ 將生成占空比從 1/256 變化到 256/256 的 PWM。PWM 頻率約為 100 kHz，啟動時 IC 的占空比設(shè)置為 0%。電機停止，直到施加到 PIN2 的輸入頻率。將頻率應(yīng)用到 PIN2 后，DFF0 nQ 輸出將變低，PWM 會將占空比從 0 增加到 99.6%。電機將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到霍爾傳感器超過輸入頻率。此時，DFF0 nQ 輸出將變?yōu)楦唠娖?，?DFF1 nQ 輸出將變?yōu)榈碗娖?。這種反轉(zhuǎn)會導(dǎo)致 PWM 占空比在電機上看到的即時 VDD 和負(fù)載處降低到可接受的值。該系統(tǒng)將不斷工作以平衡 PWM 占空比。FSM1、CNT8、3 位 LUT15 和 PWM2 的功能在 這種反轉(zhuǎn)會導(dǎo)致 PWM 占空比在立即 VDD 和電機負(fù)載處降低到可接受的值。該系統(tǒng)將不斷工作以平衡 PWM 占空比。FSM1、CNT8、3 位 LUT15 和 PWM2 的功能在 這種反轉(zhuǎn)會導(dǎo)致 PWM 占空比在電機上看到的即時 VDD 和負(fù)載處降低到可接受的值。該系統(tǒng)將不斷工作以平衡 PWM 占空比。FSM1、CNT8、3 位 LUT15 和 PWM2 的功能在應(yīng)用筆記 AN-1052。

保護(hù)塊包括 2 個延遲（DLY2 和 DLY9）、計數(shù)器 CNT0 和配置為 XOR 門的 2 位 LUT0。這部分設(shè)計用于保護(hù)電機和外部 FET 不被燒壞。如果電機卡住或無法啟動，霍爾傳感器將無法提供關(guān)閉電機所需的反饋。如果在 100 毫秒后沒有收到反饋，DLY2 輸出將變?yōu)榈碗娖讲⑶?2 位 LUT0 關(guān)閉電機。如果發(fā)生這種情況，CNT0 和 DLY9 會嘗試每 500 毫秒啟動一次電機，持續(xù) 8 毫秒。這段時間足以啟動電機，但不足以對電機造成損壞。

結(jié)論

該項目描述了如何使用SLG46620 GreenPAK IC和霍爾效應(yīng)傳感器控制三相無刷直流電機。SLG46620 還包含可用于該項目的其他功能。例如，GreenPAK 中的 ADC 可以解釋輸入直流電壓并根據(jù)該值生成 PWM 脈沖，而不是使用輸入頻率。

以前，如果設(shè)計人員希望控制 BLDC 電機，他們將受到電氣規(guī)格和專用現(xiàn)成 IC 解決方案功能的限制。這迫使設(shè)計人員選擇功能固定且可能會過度殺傷或昂貴的解決方案，這通常會限制其系統(tǒng)的 IO。

Dialog GreenPAK 通過將可配置性重新交到設(shè)計人員手中，逆轉(zhuǎn)了這一設(shè)計過程。通過將此 GreenPAK 應(yīng)用程序用作普遍適用（盡管也是唯一可配置的）三相 BLDC 電機控制方案，設(shè)計人員可以選擇滿足其項目獨特電氣規(guī)格的引腳分配和外部 FET。此外，即使考慮到外部 FET，Dialog GreenPAK 解決方案的成
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