ELN3-0055H055電機(jī)控制 - 無刷直流 （BLDC） 電機(jī)

　　無刷直流 （BLDC） 電機(jī)可以想象成與刷式直流電機(jī)截然相反，其中*磁性在轉(zhuǎn)子上，而繞線在定子上。因此，該電機(jī)沒有刷子和換向器，消除了與刷式直流電機(jī)產(chǎn)生火花相關(guān)的劣勢。

　　ELN3-0055H055該電機(jī)被稱為直流電機(jī)，是因?yàn)槠渚€圈通過直流電源驅(qū)動(dòng)，而直流電源是按預(yù)定順序的形式應(yīng)用到不同的定子線圈。這一過程稱為換向。但是，BLDC 并不恰當(dāng)，因?yàn)樵撾姍C(jī)實(shí)際上屬于交流電機(jī)。在電路循環(huán)過程中，每個(gè)線圈中的電流正負(fù)交替。定子一般是凸極結(jié)構(gòu)，旨在產(chǎn)生梯形反電動(dòng)勢波形，盡可能符合所應(yīng)用的換向電壓波形。但是實(shí)際上很難做到，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形通常更像正弦，而非梯形。因此，PMSM 電機(jī)使用的許多控制技術(shù)（如場定向控制）同樣適用于 BLDC 電機(jī)。

　　對 ELN3-0055H055電機(jī)的另一個(gè)誤解是關(guān)于其如何驅(qū)動(dòng)。不同于開環(huán)步進(jìn)應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)的定子線圈決定轉(zhuǎn)子位置，在 BLDC 電機(jī)中，轉(zhuǎn)子位置決定要驅(qū)動(dòng)哪個(gè)定子線圈。定子磁通矢量位置必須與轉(zhuǎn)子磁通矢量位置保持同步（而非相反），以使電機(jī)操作順暢。要實(shí)現(xiàn)這一目的，需要了解轉(zhuǎn)子位置來確定要驅(qū)動(dòng)的定子線圈?，F(xiàn)有多種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這一目的，但zui常用的技術(shù)是使用霍爾效應(yīng)傳感器監(jiān)控轉(zhuǎn)子位置。遺憾的是，這些傳感器及其相關(guān)連接器和線束會(huì)增加系統(tǒng)成本，并降低可靠性。

　　為減少這些問題，已有多種技術(shù)開發(fā)出來用于消除這些傳感器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無傳感器操作。多數(shù)技術(shù)依靠在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，從定子繞線的反電動(dòng)勢波形中提取位置信息。但是，依靠反電動(dòng)勢傳感的技術(shù)在電機(jī)旋轉(zhuǎn)緩慢或靜止時(shí)便無用武之地，因?yàn)榇藭r(shí)反電動(dòng)勢波形很弱或根本不存在。因此，我們不斷開發(fā)新技術(shù)，以在低轉(zhuǎn)速或零轉(zhuǎn)速時(shí)從其它信號中獲取轉(zhuǎn)子位置信息。

　　ELN3-0055H055電機(jī)在效率額定值方面占優(yōu)勢，一般可達(dá)到 95% 左右。當(dāng)前對新非晶合金材料的研究正在將這一數(shù)字推向新高。已有報(bào)道稱 100W 范圍內(nèi)效率為 96%。BLDC 電機(jī)還在爭奪“世界zui快電機(jī)”之稱，部分電機(jī)速度可達(dá)到數(shù)十萬 RPM（其中一項(xiàng)應(yīng)用中已報(bào)道 400K RPM）。

　　zui常用的 BLDC 電機(jī)拓?fù)涫褂?3 相定子結(jié)構(gòu)。因此，標(biāo)準(zhǔn)的 6 晶體管反向器是zui常用的功率級，如圖所示。根據(jù)運(yùn)行要求（含傳感器與 無傳感器、換向與 正弦、PWM 與 SVM 等），有很多方法可驅(qū)動(dòng)晶體管來達(dá)到所需目標(biāo)，不勝枚舉。這對一般位于微處理器中的 PWM 發(fā)生器的靈活性提出了*要求。好消息是，TI 的電機(jī)控制處理器可輕松滿足這些要求。

　　方框圖

　　無刷直流電機(jī) （BLDC） 系統(tǒng)的方框圖 （SBD），它具有微處理器、閘極驅(qū)動(dòng)器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。

　　ELN3-0055H055無刷直流電機(jī) （BLDC）

　　設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　無刷直流 （BLDC） 電機(jī)概述

　　無刷直流電機(jī)具有定子繞線和*磁性轉(zhuǎn)子。繞線連接到控制電子，且電機(jī)內(nèi)部沒有刷子和換向器。電子類似于換向器驅(qū)動(dòng)適當(dāng)?shù)睦@線；在圍繞定子旋轉(zhuǎn)的移動(dòng)模式中驅(qū)動(dòng)繞線。驅(qū)動(dòng)的定子繞線引導(dǎo)轉(zhuǎn)子磁性。

　　BLDC 電機(jī)效率更高，運(yùn)行更快更安靜，需要電子以控制旋轉(zhuǎn)場。BLDC 電機(jī)制造成本更低，易于維護(hù)。

　　驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)需要三相反向器。反向器包含三個(gè)半 H 橋，使用輔助信號控制其高位和低位開關(guān)。在關(guān)閉高側(cè)開關(guān)和開啟低側(cè)開關(guān)之間保有延遲是非常重要的。這將消除潛在的開關(guān)短路。

　　微處理器

　　TI 的 C2000™ 系列 MCU 可以通過使用標(biāo)量或矢量控制技術(shù)控制 BLDC 電機(jī)。了解轉(zhuǎn)子位置對于高效控制 BLDC 電機(jī)非常重要。通過連接至電機(jī)的霍爾傳感器或旋轉(zhuǎn)式編碼器能夠檢測到轉(zhuǎn)子的位置。這些傳感器輸入用于含傳感器的反饋控制系統(tǒng)。

　　轉(zhuǎn)子位置還可通過使用反電動(dòng)勢電壓信息進(jìn)行估算。此反饋控制模式無需使用傳感器和附加接線。位置或度評估器也可用于計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。

　　ELN3-0055H055上的集成高速 12 位 ADC 轉(zhuǎn)換器、高分辨率脈寬調(diào)制器 （PWM） 和正交編碼器輸入 （QEI） 使其適合于實(shí)施 BLDC 電機(jī)控制。C2000 MCU 內(nèi)核能夠在短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)，使此 MCU 系列成為實(shí)施矢量控制技術(shù)和同時(shí)控制多個(gè)電機(jī)的理想選擇。此系列的 PWM 具有可編程死區(qū)延遲，可驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)閘極驅(qū)動(dòng)器。C2000 MCU 還可通過使用梯形或正弦控制驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)。

　　Slaris® 系列 MCU 向偏愛開放式構(gòu)架內(nèi)核的客戶提供基于 ARM 的解決方案。這些 MCU 還為傳感器的控制提供集成 ADC、電機(jī)控制特定的 PWM 和 QEI 輸入。其基于硬件的故障檢測系統(tǒng)可更快地關(guān)閉系統(tǒng)，無需軟件干預(yù)。這些 MCU 也可用于實(shí)施標(biāo)量和矢量控制技術(shù)。

　　ELN3-0055H055器件基于 16 位 RISC 架構(gòu)，在工作模式和休眠模式中具有超低功耗操作功能。通過使用接受較低性能的標(biāo)量技術(shù)，這些 MCU 可用于 BLDC 電機(jī)控制。集成驅(qū)動(dòng)器可配置為 PWM 輸出并可通過梯形控制控制閘極驅(qū)動(dòng)器。

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