如何控制无刷直流电机
发布日期:2023-04-14
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无刷直流（BLDC）电机已经广泛应用于家用电器、工业设备和汽车等领域。相对于传统有刷电机，虽然无刷直流电机能够提供更可靠和免维护的替代方案，但却需要更复杂的电子设备来进行驱动。本文将探讨驱动无刷直流电机的多种不同技术、传感器方案以及使用的流行算法。此外，还将介绍一些来自领先供应商的电机驱动器IC以及合适的开发和原型设计资源。
无刷电机应用
在过去十年中，无刷直流电机已经变得非常流行，它的应用可能比Wi-Fi更加普遍，无论在家里、办公室，还是在汽车等周围场景中，您可能都会惊讶地发现这些无刷直流电机。Allied Market Research估计，到2030年，全球无刷直流电机市场将从2020年的332亿美元增至722亿美元（参见图1），其《2030年无刷直流电机市场研究》报告预测，所有额定功率电机的复合年增长率为10.3%，其中750～3000W类别的无刷直流电机复合年增速最为显著。
图1：Allied Market Research（AMR） 发布的2020～2030年无刷直流电机市场增长趋势。（来源：AMR，https://www.alliedmarketresearch.com/brushless-dc-motors-market，已获请求许可）
刷直流电机适用于多种不同应用，包括电池供电的电动工具、家用吸尘器、无线遥控无人机和电动汽车，以及从传送带到生产机器人等数百种工业领域的应用。
无刷直流电机由于其低维护特性而受到欢迎，它们的能效也很高，通常高达92%，比同等尺寸的有刷电机高出至少10%至15%。此外，由于没有任何电刷摩擦，BLDC能够以更高的速度运行。去除电刷也有助于实现更紧凑的尺寸，具有较低的可听噪声，并可显著降低EMI。这些特性使它们成为电动汽车的理想动力传动部件，因为在电动汽车中，高扭矩和高速性能至关重要。
然而，BLDC所具有的优势也需要与其较高的成本和复杂的驱动要求一同考虑。图2比较了流行的不同种类电机配置，显示了它们的优缺点。尽管无刷直流电机操作和定子绕组内部结构略有不同，但它们与永磁同步电机（PMSM）很相似。
图2：用以说明流行直流电机主要优缺点的产品类型。（来源：Qorvo）
无刷直流电机如何工作？
在探讨BLDC和PMSM如何工作之前，让我们简要介绍一些基本的电机术语：
绕组：绕组是指放置在定子或转子上的铜线线圈，它们起着电磁铁的作用，可根据电流的方向产生磁场。图2中无刷直流电机的三个绕组可以串联连接构建单相电机，也可以单独连接构建三相无刷直流电机。
转子：转子是指电机的旋转部件。转子周围的绕组通过有刷电机电刷接收能量。在无刷电机中绕组是在定子上，永磁铁围绕着转子。转子和定子之间存在微小气隙。
定子：定子是外壳电机的非旋转部分。图2中显示了有刷电机的定子磁极。如果与BLDC比较，BLDC中的定子包含非旋转绕组。
换向：通过改变绕组中电流方向以实现旋转。
反电动势：反电动势是绕组在通过磁场时产生的电能。在无刷直流电机情况下，反电动势来自转子的永久磁铁，它可用于感应转子相对于定子绕组的位置，从而驱动换向过程。
永磁同步电机和无刷直流电机之间的区别主要在于其定子绕组的形状，以及由此产生的反电动势波形特性（参见图3）。
图3：BDLC和PMSM电机产生的反电动势波形比较。（来源：Qorvo）
电机驱动算法和传感器
实现无刷直流电机或永磁同步电机的旋转需要通过对施加到定子绕组的驱动信号进行换向。基于半导体器件的电机驱动控制器（通常称为驱动器）产生波形，波形的数量和形状取决于电机类型和相数。如图3所示，与永磁同步电机采用的具有磁场定向控制（FOC）正弦方法相比，无刷直流电机适合梯形驱动波形。在三相PMSM中，换向利用三个正弦波波形，相位彼此相差120度。BLDC电机也可以使用正弦波形来驱动。
无论是使用FOC还是梯形驱动器，有效的转子控制都需要精确地知道转子相对于定子绕组的位置，这能够为电机驱动提供重要的反馈，以便更好地控制电机速度和扭矩。位置信息决定驱动信号的顺序、时间和频率。
确定转子位置的方法有两种：传感器或无传感器。
传感器：霍尔效应传感器可布置在每个定子绕组旁边（参见图2中的蓝色小方块），在转子旋转时可检测磁场极性的变化（N到S，S到N）。每个三相电机需要三个传感器。
无传感器：无传感器方法使用反电动势来确定转子位置，而不是使用传感器。
两种感测方法各有利弊。使用霍尔效应传感器会涉及额外的零部件成本和更多的组装时间，但采用传感器感测的BLDC/PMSM电机可提供优异的扭矩、平稳的转动和更高效率。永磁同步电机的驱动控制器往往更复杂，采用FOC需要使用传感器。
无传感器方法在无刷直流电机中很普遍，会使电机达到比较诱人的低价格，但要求算法根据定子绕组中感应的反电动势来确定转子位置。无传感器BLDC电机的一个很大挑战出现在启动时，由于没有任何运动，就没有反电动势，所以计算转子的位置必须用另一种方法。通常，高频驱动信号被馈送到每个相绕组，通过特定算法相应地计算位置。
图4：一个三相BLDC电机简化图，其中使用霍尔效应传感器创建换向过程，并对逆变器操作进行排序。（来源：Qorvo）
图4突出显示了使用霍尔效应传感器（HSW、HSV和HSU）的一个简单三相BLDC电机配置。传感器基本上是数字开关，指示检测到的磁场极性，N等于“1”，S等于“0”。三个传感器的输出组合在一起，给出一个3位数字逻辑“操作码(opcode)”，在它变化时指示转子的位置和方向，这些信息是三相功率晶体管逆变器级提供驱动信号的基础。对于功率相对较低的BLDC应用，传感器接口、电机控制器和驱动晶体管通常集成在单个控制器IC中。而高功率电机则通常采用来自控制器IC的栅极驱动输出，并采用配备有散热器的功率MOSFET来实现所需的驱动电流。
为了改变电机的速度，可通过脉宽调制（PWM）技术来改变占空比（duty cycle），即脉冲开/关的比率。这种方法可以限制启动电流，因而在电机启动期间采用也可提供很大优势。
BLDC电机驱动IC和开发资源
图5所示为一个低功率无传感器三相BLDC电机驱动器TI DRV10963的功能框图，该IC包含三个功率MOSFET，适合于最高5V/0.5A的BLDC电机，可用于驱动笔记本电脑和高性能处理器上使用的冷却风扇。DRV10963具有短路和过流保护功能，通过多路复用模数转换器（ADC）监测每个MOSFET的电流和电压。PWM输入可以用来控制并达到期望的电机速度。“FR”输入允许在启动时改变电机方向，“FG”输出提供电机速度信息。
图5：TI DRV10963 5V三相无传感器BLDC电机驱动器功能框图。（来源：TI）
Microchip可提供全面的单芯片BLDC电机驱动器和栅极驱动器IC系列，MCP8063就是其中一例，它是一种三相无刷正弦无传感器电机驱动器，专为汽车冷却风扇和多种泵应用而设计。
Qorvo PAC5532电源控制器适用于广泛的高速消费产品、工业和汽车中的电机控制等应用，包括电池供电电动工具、电动自行车和轻型混合动力汽车等。PAC5532适用于48～120VDC系统，集成有150MHz Arm Cortex-M4F 32位内核，具有全面且可配置的电源管理和驱动功能（参见图6）。
图6：电池供电电机控制应用中Qorvo PAC5532的简化配置框图。（来源：Qorvo）
Qorvo PAC5532EVK1评估套件可为PAC5532提供补充支持。
图7（来源：Qorvo）列出了评估套件的主要组件，包括PAC5532和三相半H桥（half H-bridge）逆变器组件。基于GUI的软件开发工具包可从Qorvo网站下载。
另一款电机控制IC是高性能Renesas RA6T2微控制器系列。该IC基于240MHz Arm Cortex-M33微控制器内核，包括一个基于硬件的加速器，用于加速复杂的电机控制算法和运行安全加密功能。它还集成了一组非常齐全的模拟功能，包括一个12位模数转换器（ADC）、一个12位数模转换器（DAC）、可编程增益放大器和高速比较器（参见图8）。
图8：基于Renesas RA6T2微控制器的电机控制器功能框图。（来源：Renesas）
Renesas MCK-RA6T2评估套件可针对无刷电机驱动器设计提供一种方便实用的原型制作方法。该套件包括三个连接板：逆变器板、微控制器板和通信板，还包括一个小型无刷直流电机以及所有必需的电缆。MCK-RA6T2的功能架构如图9所示。
图9：Renesas MCK-RA6T2无刷电机评估套件的功能框图。（来源：Renesas）
开始BLDC电机控制设计
在本文中，我们探讨了无刷电机如何运行，讨论了它们受市场欢迎的主要原因，并着重介绍了一些应用案例。上面介绍的领先半导体解决方案为您提供了一种使用方便，有充分文档支持，且值得信赖的技术途径，能够帮助您开始首个BLDC/PMSM设计。
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