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标题: 高性能和高效率的三相无刷直流电机控制系统设计 [打印本页]

作者: 我是MT 时间: 2015-1-22 12:55 标题: 高性能和高效率的三相无刷直流电机控制系统设计

一.概要


当今，工程师利用了数字和模拟技术克服了过去所有的挑战，包括电机速度控制，旋转方向，漂移和电机疲劳，使得电机控制系统被广泛的使用。微处理器的应用也
使得这一代工程师有机会去动态的控制电机的行为，目的是为了能响应环境压力和限制。这将有助于更长的运行寿命和降低维护成本。当前，电机制造商正倾向于三
相无刷直流电机。因为它们在更小的功耗下能提供更大的扭矩，和更长的运行时间。这是因为不存在有刷电机直接接触的换向器和电气端子。遗憾的是，使用三相电
机控制增加了额外的复杂性，相比有刷直流电或交流电机，数字和模拟器件之间的关系变得非常重要。

   这篇白皮书讨论了在三相无刷直流电机应用中使用模拟器件和微控制器时，需要关注的重要因素。它也涵盖了适合的电源管理器件和功率电平移位器。使微控制器驱动电机的功率源从12V提升到300V的直流电压。
谁需要驱动无刷直流电机呢？
   最近，设计者已经喜欢使用更高效率的无刷直流电机了。这种趋势是众多市场和不同应用真实的线索，目前，能够使用和已经使用无刷直流电取代过时的交流电机或机械泵技术。使用无刷直流电机的重要好处包括：
? 高效率(75% VS.交流电机40%)
? 较少的热量产生
? 更高的可靠性(无电刷磨损)
? 危险环境中更安全的操作(没有碳刷粉产生,而在有刷电机中有碳粉产生)



在关键的子系统中使用无刷直流电机也能降低整个系统的重量，因为无刷重量电机是完全采用电子化换向，这样在更高的转速时，能更简单的控制电机的扭矩和转
速。世界各地的政府都在处理由于电网电力不足引起的有功功率赤字。此外，世界上还有很多地区必须在需求高峰季节进行停电处理。结果是这些国家现在要么给予
补贴或准备为那些更高效使用无刷直流电机的进行补贴。

表1 无刷直流电机的优势

细分市场和应用战略
汽车：在
汽车市场上有很多实例，那些机械和液压泵/运动控制正在被慢慢取代。这一趋势涵盖的应用从燃油泵,电动转向,座椅控制,汽车HVAC(加热通风和空调),
天窗控制,挡风玻璃雨刮电机及更多,通过切换为无刷直流电机，这些功能中的每一个，都能节省高达一英里每加仑。这种运动背后的原因是明显的节省燃油和能源
效率。

图2 电动车窗功能框图

家庭应用：在家电市场有相当多的电器能从使用高效率的无刷直流电机中受益。这些电器包括泵、风扇、空调、搅拌器、手提电动工具和其他的厨房电器。
工业系统：大多数泵、风扇、空调、搅拌机、空调机组都需要电机驱动。欧盟已颁布了一项法令,要求所有新的工业电器使用BLDC电机的三相“逆变器驱动”。

图3 空调功能框图

白色家电：通过使用更高效的 BLDC电机能够减少许多衣服洗衣机和烘干机的用电。

图4 洗衣机电动机功能框图

表2  无刷直流电机驱动器的重要应用领域

无刷电机的驱动力是什么?
这里有几种方法来驱动无刷直流电机。下面列出了一些基本的系统要求:
a.    功率晶体管：这些通常是能够承受高电压(与发动机要求匹配)的MOSFET和IGBT。大多数家用电器使用能产生3/8马力(1HP= 734 W)的电机。因此，典型的应用电流值为10A。高压系统通常(> 350 V)则使用IGBT。
b.    MOSFET/IGBT驱动器：一
般来说,就是一组MOSFET或者IGBT的驱动器。即可以选择是三个“半桥”驱动器或三相驱动器。这些解决方案必须能够处理来自电机的两倍于电机电压的
反电动势力(EMF)。此外,这些驱动器应该提供通过时间和开关控制保护功率晶体管,确保顶部晶体管在打开底部晶体管之前已关闭。
c.    反馈元件/控制：在伺服控制系统中工程师应该设计有某种反馈元件。例如包括光学传感器、霍尔效应传感器、转速表、成本最低的无传感器的反向电动势传感。各种反馈方法是非常用的,其取决于所需的精度、转速、转矩。许多消费领域应用通常寻求利用反电动势无传感器技术。
d.    模数转换器：在许多情况下, 为了将模拟信号转换为数字信号，需要设计一个模数转换器,它能将数字信号发送到单片机系统。
e.    单片机：所有闭环控制系统(无刷直流电机几乎全部都是闭环控制系统)都需要一个单片机，该MCU负责伺服回路控制计算,修正PID控制和传感器管理。这些数字控制器通常是16位，但并不复杂的应用程序可以使用8位控制器。
模拟电源/调节器/参考。除了上述组件外,许多系统包含电源，电压调节器，电压转换,和其他模拟设备如监测器，LDO,DC-to-DC转换器，和运算放大器。

模拟电源/调节器/参考：除了上述组件外,许多系统包含电源，电压调节器，电压转换,和其他模拟设备如监测器，LDO,DC-to-DC转换器，和运算放大器。

图5 24 v无刷直流电机控制典型功能框图

麦瑞在电机驱动领域的优势
a,  功率驱动。麦瑞有广泛的MOSFET和IGBT驱动器。关键参数包括快速脉冲延迟、高门电荷/控制的峰值电流和85V操作。如MIC4604产品族能够承受85 V的反电动势电动机电压。
b,  参考电压和监测。麦瑞这些设备提供了丰富的产品线在那些有单片机操作的场合。例子包括:MIC811,MIC2775,MIC1232电压检测。
c,  运算放大器和比较器。麦瑞拥有一系列的低功耗运算放大器和比较器。这些器件精密伺服系统反馈控制的关键。例子包括MIC6270,MIC841N,MIC833。
d,  LDO。麦瑞提供业内广泛的LDO包括最快的瞬态LDO,最低输入LDO,最低压差LDO，最高电流LDO。例子包括MIC49150,MIC29150,MIC5235,MIC5283。
e,  DC-to-DC开关调整器。麦瑞还提供了一个广泛的DC-to-DC转换器，具有最高的转换效率。这些都是用于供电应用。例子包括MIC2605升压和MIC4682降压的开关电源调整器。

三.相无刷直流电机的基本操作理论

图6 无刷直流电机横截面

无刷直流电机是同步电机,有永磁体存在于转子和线圈绕组。他们产生电磁场在电动机的定子中(参见图6)。电气终端直接连接到定子绕组;因此没有电刷或机械
接触到转子，而电刷在有刷直流电机中是存在的。无刷直流电机使用直流电源和开关电路来在定子绕组上产生双向电流。开关电路需要使用高边开关和低边开关为每
个绕组切换,合计六个开关为一个无刷直流电机。

图7  IGBT开关电路



现代电机设计使用固态开关MOSFET、IGBT等(见图7)根据电动机的速度和电压的需求，相比继电器。成本、可靠性和尺寸都必须考虑。开关电流产生合
适的磁场极性吸引相反的磁极和排斥相同的磁极。这反过来又产生另一个磁力使转子旋转。使用转子上的永磁体为设计师提供了一个机械优势：减少尺寸和重量。无
刷直流电机特性提高了热特性，相比于有刷电机和电磁感应电动机,使其成为理想选择，以便下一代机械系统的电能节约。
   电机一般使用三相(绕组),每相绕组进行间隔的120度(见图8)

图8 六步换向

   因为电流是双向的,每相都有两个间隔。这就是所谓的六步换向。例如,可以AB-AC-BCBA-CA-CB变换相序。每个传导阶段是一步,任何时候只有两个绕组传导电流,离开向第三绕组移动。非励磁绕组可以作为反馈控制，所需的基础特征无传感器控制算法。


保持定子中的磁场随转子的运动方向产生最佳扭矩，从一个部分到另一个的过渡必须在准确的转子位置发生。获得最大扭矩是通过开关电路在每60度进行换向。所
有的开关控制算法是植入在微控制器中的。微控制器可以通过MOSFET驱动器控制开关电路，其中包含合适的响应时间，如维持延迟，上升和下降时间，驱动能
力包括栅极驱动电压和电流的同步需求来打开MOSFET / IGBT的“开”或“关”的状态。
      转子的位置是确定正确的时刻换向电机绕组的关键。在有精度要求的应用中，霍尔传感器或转速表是用来计算位置，速度，和转子的力矩。在成本是最重要的考虑因素的应用中，无传感器技术，这是反电动势计算（EMF）-可以用来计算的位置，速度和扭矩。


反电动势的定义是在有永磁铁的定子绕组产生的电压。这发生在电机转子转动时。可用于控制和反馈信号的反电动势的有三个重要特征，。第一个是反电动势的大小
是与电动机速度成比例的。为此，设计师采用MOSFET驱动器，可以在至少两倍的电源电压操作。第二个因素是，当速度增加时，反电动势的信号的斜率变大。
第三，反电动势信号是在交叉事件中对称。检测交叉事件正是实施反电势算法的关键。反向电动势模拟信号可以被传输到微控制器，每个混合信号电路采用高电压运
算放大器和模拟-数字转换器，它们被广泛使用在大多数现代微控制器。每个绕组至少需要有一个模数转换器，总共三个模数转换器。
   当采用无位置传感器控制时，启动的顺序是非常重要的，因为单片机天生就不知道转子的转子初始位置。第一步启动电机激励2个绕组，在一个时间同时从几个测量反电动势反馈回路，直到确定一个精确的位置。


直流电机一般使用一个闭环控制系统，需要一个单片机。单片机实现伺服环控制，计算，修正，PID控制，传感器来检测反电势，霍尔传感器，或转速表。这些数
字控制器一般都是8位或更高要求的EEPROM来存储固件，该算法是设定电机的速度，方向，和保持电机稳定性必须的。单片机通常提供了模数转换器，允许无
传感器电机控制结构。这种架构可以节省宝贵的电路板空间和成本。单片机的特点是可构造性和必要的灵活性，以优化应用程序的算法。模拟集成电路可以给单片机
高效电源，电压调整器，参考电压，驱动MOSFET或IGBT的能力，以及故障保护。这两种技术都可以高效的操作三相无刷直流电机，在感应电机和有刷电机
有可比的价格点。
结论
在许多市场和应用中，需要迁移到高效的无刷直流电机变得越来越普遍。这是由于某些关键的好处：
? 效率更高（75% vs.交流电机的40%）
? 低热量的产生
? 可靠性高（无电气触点）
? 在危险的环境中安全操作（无碳刷粉尘产生在有刷电机中有）。



通过在关键子系统中使用无刷直流电机，可以减少整体重量。这意味着在汽车应用时提供更好的燃油经济性。由于直流电机完全电子换向，在更高的速度时，它更容
易控制电机的转矩和转速。在世界各地，许多国家都面临着电力不足，原因是电网不足。可以肯定的是，少数国家现在要么给予补贴或准备为那些更有效利用无刷直
流电机的提供补贴。无刷直流电机BLDC的部署，不过是寻求拯救绿色倡议，节约世界上最宝贵的资源的多种趋势中的一种，而不会不利地影响我们的生活方式。

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