BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制及其三種換向方法

三相永磁無刷直流（以下簡(jiǎn)稱“BLDC”）電機(jī)控制需要一個(gè)電子換向電路，而傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)是采用機(jī)械自換向的方式。與有刷直流電機(jī)不同，BLDC電機(jī)沒有電刷，無需定期維護(hù)或更換，因而不易受到磨損。

本文將簡(jiǎn)要介紹 BLDC 電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制，然后介紹三種換向方法：

梯形換向

磁場(chǎng)定向控制

直接扭矩和磁通控制

最后將介紹一種創(chuàng)新的BLDC換向方法，可以以單個(gè)電機(jī)控制集成電路(IC)實(shí)施三種換向方法中的任何一種。

? BLDC結(jié)構(gòu)

BLDC電機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式的電機(jī)，定子上有三相電樞繞組，轉(zhuǎn)子上有永磁體，與有刷直流電機(jī)的定子包含永磁體相反。BLDC轉(zhuǎn)子上的永磁體提供了一個(gè)恒定的磁場(chǎng)，使其成為一個(gè)高效率、高扭矩、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電機(jī)。三相BLDC電機(jī)控制設(shè)計(jì)，可以采用分立元件或集成的功率模塊專用控制IC實(shí)現(xiàn)。集成的解決方案可以通過減少PCB面積和制造步驟來降低整體系統(tǒng)成本，提高可靠性，最少化物料單(BOM)元件，降低庫存成本，并促進(jìn)新逆變器設(shè)計(jì)方案快速重用迭代。

? BLDC控制

一個(gè)含三相全橋的功率級(jí)和一個(gè)控制器構(gòu)成一個(gè)典型的三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。它們提供基于三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器的三相脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)--或者一個(gè)編碼器，為有傳感器工作提供位置反饋，或?yàn)闊o傳感器工作提供反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)感測(cè)。BLDC電機(jī)的定子繞組產(chǎn)生梯形反電動(dòng)勢(shì)波形。

電子換向控制電路使用六步梯形和磁場(chǎng)定向控制 （FOC）（也稱為矢量控制的換向方法）確定 BLDC 電機(jī)的位置和速度。霍爾效應(yīng)傳感器和反電動(dòng)勢(shì)傳感都提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的轉(zhuǎn)子位置感測(cè)方法。

圖1?BLDC體現(xiàn)霍爾傳感器位置

? 梯形換向

6步梯形換向法因其控制算法簡(jiǎn)單很受歡迎，這種方法在每個(gè)電機(jī)相上使用兩個(gè)功率開關(guān)器件，遵循預(yù)先確定的序列。三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器提供轉(zhuǎn)子位置信息，對(duì)控制電機(jī)速度非常有效。六個(gè)步驟的開關(guān)序列被確定為在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)施兩個(gè)連續(xù)的電機(jī)相位（間隔60°）。

圖2?6步梯形控制波形

? 磁場(chǎng)定向控制

更適合高端應(yīng)用的有傳感器或無傳感器FOC，是一種更復(fù)雜的換向方法，具有更高的處理要求?；陔姍C(jī)電流反饋計(jì)算出的電壓和電流矢量對(duì)電機(jī)換向，實(shí)現(xiàn)速度和扭矩的精確動(dòng)態(tài)控制，從而在寬工作范圍內(nèi)保持高效率。

? 直接扭矩和磁通量控制

DTFC是安森美(onsemi)和Theta Power Solutions, Intl (TPSI)共同合作開發(fā)的一種新穎獨(dú)特的、更高效的無傳感器BLDC電機(jī)換向方法。該方法使低速重載運(yùn)行的BLDC電機(jī)的磁通弱化，以提高高速能力并具有最小的扭矩紋波，非常適合制動(dòng)算法，以對(duì)高慣性負(fù)載提供受控減速。

? 3合1的控制選擇

安森美的ecoSpin系列可配置電機(jī)控制器可選用三種BLDC控制方法中的任何一種。ECS640A是個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）方案，集成了一個(gè)Arm Cortex-M0+微控制器、三個(gè)檢測(cè)放大器、一個(gè)參考放大器、三個(gè)自舉二極管和一個(gè)為高速運(yùn)行而設(shè)計(jì)的高壓柵極驅(qū)動(dòng)器。它驅(qū)動(dòng)工作電壓高達(dá)600V的MOSFET和IGBT（FAN73896），并有六個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出，可向外部功率器件提供350mA/650mA（典型值）的柵極灌電流/拉電流，還集成霍爾傳感器，支持有傳感器或無傳感器工作。小尺寸和靈活的集成度使該器件非常適合與分立功率器件一起使用，以最大化擴(kuò)展性。

電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)喜歡這種集成的解決方案，它使系統(tǒng)易于快速設(shè)置，不會(huì)因旋轉(zhuǎn)電機(jī)的細(xì)節(jié)疏漏而出錯(cuò)，易于使用的圖形用戶界面簡(jiǎn)化了代碼開發(fā)，加快產(chǎn)品面市。

? 靈活度和集成度

BLDC電機(jī)越來越受歡迎，要充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，需要采用最合適的換向方法。選擇BLDC電機(jī)控制器IC，提供最多換向選擇和高集成度的IC是有意義的。安森美的ECS640A電機(jī)控制器提供了這種靈活度，支持有傳感器和無傳感器應(yīng)用，包括白家電、制冷壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)、瓶裝冷卻器、暖通空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)和冷凝器、泳池泵、工業(yè)驅(qū)動(dòng)和泵以及機(jī)器人。

審核編輯：劉清