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无刷直流(BLDC)电机控制解决方案

出处:电子发烧友 发布于:2019-01-24 14:05:07 | 508 次阅读

无刷直流(BLDC)电机正迅速成为要求高可靠性,高效率和高功率体积比的应用的自然选择。这些电机在很宽的速度范围内提供大量的扭矩,并且与有刷电机具有相似的扭矩和速度性能曲线特性(尽管有刷电机可提供更大的静止扭矩)。

BLDC电机由于消除了传统直流电机换向时使用的电刷而具有显着的可靠性。刷子磨损,降低了电机的性能,最终必须更换。相反,在额定参数范围内运行时,BLDC电机的预期寿命可超过10,000小时或更长。与传统装置相比,这种寿命以及随后的维护和备件成本的降低可以抵消电机的较高初始成本。

BLDC电机正在进入最具成本意识的应用领域。例如,在汽车领域,BLDC电机的使用正在飙升。汽车制造商尤其被电机在机械工作中转换电能的效率所吸引,这有助于降低对车辆电力系统的需求(图1)。根据分析师IMS的研究,到2018年,6亿只BLDC电机将用于内燃机驱动的轻型车辆,而2011年则为2亿只。(BLDC电机的大型版本在电动和混合动力汽车中已经很常见。)

无刷直流(BLDC)电机控制解决方案

图1:BLDC电机,如用于水泵的这种装置,正在取代汽车应用中的传统电机(Melexis提供)。

BLDC电机的这种兴趣促使芯片供应商为该单元的电子控制系统开发定制的单片芯片。本文将详细介绍BLDC电机控制芯片 - 用于驱动逆变桥的设备,最终激活电机线圈并控制速度和方向等参数。

减少霍尔传感器故障

飞兆半导体公司拥有BLDC电机控制的悠久历史,最近推出的FCM8201芯片仍在继续。该器件专为感应BLDC电机控制而设计。 (传感电机需要霍尔效应传感器来指示线圈位置以辅助电子换向序列)。

FCM8201的关键技术进步是它可以选择脉冲宽度调制(PWM)模式。有两种PWM模式可供选择:正弦波模式和方波模式。方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技术,可提高电机驱动效率。

Fairchild解释说,该器件还内置霍尔信号调节电路,可为每个传感器信号输入产生3至6μs的“去抖”时间。该电路减少了霍尔传感器信号转换缓慢时可能出现的毛刺 - 以及随后的错误。

FCM8201可以在没有外部微控制器MCU)的独立配置中使用,或者如果设计人员想要添加比标准设备支持更多的电机控制功能,则可以通过串行外设接口连接外部MCU( SPI)接口。图2显示了FCM8201的典型独立应用电路。只需几个外围元件即可完成BLDC电机控制电路。

无刷直流(BLDC)电机控制解决方案

图2:飞兆半导体FCM8201 BLDC电机控制器的典型独立应用电路。

使用电机磁通进行无传感器控制

无传感器BLDC电机取消霍尔传感器,而是依靠电机转动时产生的反电动势的大小来估算线圈位置并确定正确的换向顺序。

无传感器控制是一种流行的技术,因为它简化了电机的机械设计,但一个缺点是电机静止时不会产生反电动势,而电机低速运行时则很少。这使得控制器难以确定线圈的位置。

针对低成本BLDC安装,德州仪器TI)推出了InstaSPIN-BLDC电机控制技术来解决这一问题。该公司表示,InstaSPIN-BLDC是一种无传感器控制技术,在50多种不同电机类型的现场测试中,能够在不到20秒的时间内启动和运行每台电机。简而言之,TI将InstaSPIN-BLDC描述为在三相BLDC电机上执行无传感器换向的软件方法。据该公司称,它的优势包括电机调试非常快速,即使在低速时也能实现强大的控制,以及超越速度扰动的卓越能力。

与基于反电动势过零时序的其他无传感器BLDC控制技术不同,InstaSPIN-BLDC监控电机的磁通量,以确定何时换向电机。在自由图形用户界面(GUI)的帮助下(图3),用户在绘图窗口中确定通量信号,并设置“通量阈值”滑块以指定电机应换向的通量水平。 TI表示,可以通过观察GUI上显示的相电压和电流波形来验证最佳换向。

无刷直流(BLDC)电机控制解决方案

图3:TI的InstaSPIN-BLDC使用一个免费的GUI来启用设计工程师为快速电机启动设置磁通阈值。

与磁通信号不同,低传感器BLDC电机在较低速度下产生的低反电动势信号导致较差的信噪比(SNR)性能。该公司声称InstaSPIN-BLDC可在低速下实现更平稳的操作,即使在重负载下也能提供更可靠的电机启动。

TI为其InstaSPIN-BLDC提供培训模块。该公司还提供使用DRV8312/32 BLDC电机驱动器的三相BLDC电机套件(DRV8312-C2-KIT)和带有F28035 controlCARD子系统的Piccolo MCU,以运行无传感器InstaSPIN-BLDC技术。该公司发布了一份应用报告,详细说明了如何设置系统。¹

设计的灵活性

一些制造商提供没有集成处理器的驱动芯片,以便熟悉特定MCU的设计人员使用该设备进行监督电路。或者,与上述Fairchild芯片的情况一样,一些供应商允许设计人员通过添加更强大的外部MCU来覆盖内部处理器。

传感器和无传感器BLDC电机的优势在于它们越来越多地应用于以前由传统电机主导的应用。虽然比后者更昂贵,但这种前期费用可以抵消较低的维护成本和BLDC电机的较长寿命。

希望利用这些轻巧,紧凑,功能强大的电机的设计人员会发现,通过引入主要芯片供应商的芯片和设计工具,控制系统设计变得更加容易。还有一些选项可以让设计师在设计中获得更大的灵活性,从而增加将最终产品与竞争对手区分开来的机会。

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