無(wú)刷直流電機(jī)的梯形控制

梯形控制是無(wú)刷直流(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“BLDC”)電機(jī)最簡(jiǎn)單的控制方法之一，它施加方波電流，使電機(jī)相位與BLDC電機(jī)的梯形反電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)齊，以獲得最佳轉(zhuǎn)矩。BLDC 的梯形控制適用于白家電、制冷壓縮機(jī)、暖通空調(diào)(HVAC)鼓風(fēng)機(jī)、冷凝器、工業(yè)驅(qū)動(dòng)、泵和機(jī)器人等多種應(yīng)用電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相逆變器的MOSFET具有六種開(kāi)/關(guān)狀態(tài)組合，從而在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)產(chǎn)生六種可能的定子磁場(chǎng)方向。因此，該方法也稱(chēng)為六步法或120°塊換向。根據(jù)電機(jī)的所需旋轉(zhuǎn)方向，六種可能的逆變器狀態(tài)必須遵循特定的順序，以便定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向布置產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子位置反饋通常通過(guò)安裝在電機(jī)上的霍爾傳感器(有傳感器)或通過(guò)在旋轉(zhuǎn)時(shí)(無(wú)傳感器)感測(cè)電機(jī)相位的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而確定適當(dāng)?shù)膿Q向時(shí)序。

圖1：霍爾傳感器換向時(shí)序圖

有傳感器式梯形控制不需要任何電壓或電流反饋信號(hào)即可運(yùn)行。它使用來(lái)自霍爾傳感器的位置反饋來(lái)確定為電機(jī)各相位通電的正確順序。安裝在電機(jī)上的霍爾傳感器通過(guò)轉(zhuǎn)子永磁體旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)來(lái)感測(cè)轉(zhuǎn)子位置。即使在啟動(dòng)時(shí)，也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q向，因?yàn)榧词乖诹闼傧?，轉(zhuǎn)子位置信息也存在。

圖2：有傳感器式電機(jī)梯形控制系統(tǒng)框圖

無(wú)傳感器的梯形控制使用電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)換向順序。對(duì)于梯形控制，一次只能通電兩個(gè)電機(jī)相位。由于非通電相位中沒(méi)有電流流動(dòng)，因此此時(shí)可以直接感測(cè)反電動(dòng)勢(shì)。在非通電階段，反電動(dòng)勢(shì)呈線(xiàn)性增加或減少。大多數(shù)用于梯形控制的反電動(dòng)勢(shì)位置反饋技術(shù)都依賴(lài)于涉及反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)(ZCD)的方法。監(jiān)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)，以確定它何時(shí)越過(guò)參考點(diǎn)——電機(jī)中性電壓或直流總線(xiàn)電壓的一半。

圖3：無(wú)傳感器的電機(jī)梯形控制系統(tǒng)框圖

雖然有傳感器的梯形控制更容易實(shí)施，但由于在電機(jī)中安裝了霍爾傳感器，需要增加成本，還需要從電機(jī)進(jìn)行更多布線(xiàn)，這在某些環(huán)境中不太可行。無(wú)傳感器控制更為復(fù)雜，必須針對(duì)特定負(fù)載或工作條件進(jìn)行調(diào)整，且在重載下可能難以啟動(dòng)。不過(guò)，無(wú)傳感器控制非常適合已知負(fù)載曲線(xiàn)或負(fù)載隨速度增加的應(yīng)用如風(fēng)扇。

其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在為您的應(yīng)用考慮BLDC電機(jī)控制設(shè)計(jì)時(shí)，您還需要考慮一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素，包括：

◆ 過(guò)流保護(hù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“OCP”)——硬件、軟件或兩者都可實(shí)現(xiàn)OCP，以限制電流和緩解硬故障。

◆過(guò)壓保護(hù)(OVP)——硬件、軟件或兩者均可保護(hù)電機(jī)免受破壞性電壓的影響。

◆過(guò)溫保護(hù)(OTP)——監(jiān)測(cè)逆變器中的MOSFET工作溫度非常重要，尤其是在溫度范圍較寬的環(huán)境中。

◆MOSFET選擇—安森美(onsemi)全面的高能效屏蔽柵溝槽型MOSFET產(chǎn)品組合可根據(jù)您的特定設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定制，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的卓越性能。

高度集成的電機(jī)控制方案可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。梯形BLDC控制的優(yōu)點(diǎn)包括控制算法簡(jiǎn)單、效率高，電機(jī)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)的使用壽命和更低的運(yùn)營(yíng)成本。梯形控制與基本保護(hù)和設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，提高電機(jī)的控制和精度，是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)工具和機(jī)器人電機(jī)的最高效方法之一。

審核編輯：湯梓紅

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