电机控制应用必须掌握的基本概念 (电机控制基础知识)

出处:编译自powerelectronicsnews 发布于:2023-01-03 16:33:43

    电动机广泛用于多种电子应用中,可以说它们无处不在。在我们的家中,我们有多个例子,例如风扇、吹风机、暖风机、厨房用具等等。如果再考虑汽车,我们很快就会发现车内有不同类型的电动机:加热系统、散热器冷却风扇、电动车窗、电动后视镜、座椅控制装置等等。
    本文基于 Qorvo 出版的“For dummies”系列电子书 [1],将介绍每个设计师、制造商或学生在面对电机控制应用时必须掌握的基本概念。
    有刷与无刷电机
    市场上有不同类型的电机,设计人员必须根据具体应用的技术和经济要求进行选择。电机的主要类别有以下几种:有刷、无刷(又分为BLDC和PMSM)、感应、步进。

    图 1 显示了上述四种类型的电动机,并总结了每种电动机的主要优缺点。

    图 1:四种主要类型的电动机(:[1])
    图 1:四种主要类型的电动机(:[1])
    对于各种应用,BLDC和 PMSM 电机这两种密切相关的无刷电机越来越受欢迎。这些电机不需要电刷或换向器,使其比有刷电机更有效,并显着延长电机寿命。
    有刷电机中的电刷/换向器接口产生换向,这是切换相中电流以产生旋转磁场的过程,从而引起运动。这种相互作用会引起摩擦和电弧,这两者都是不希望的。
    BLDC 电机和 PMSM 使用电子产生的旋转磁场来消除电刷和换向器。提供给相位的电压和电流使用专为完成此任务而设计的外部电路进行调制。
    BLDC 电机和 PMSM 尽管更复杂,但与传统有刷电机相比具有显着优势。它们的电子换向技术比以相同速度运行的有刷电机更可靠、更小、更轻、更安静,能效提高 20% 至 30%。
    在有刷电机中,绕组位于转子(旋转)上,而在无刷电机中,它们位于定子(静止)上。由于永磁体和绕组在电动机内的布置方式,因此不需要电刷。需要一个电子控制器来控制流向 BLDC 电机或 PMSM 定子线圈的电流。
    与交流感应电机相比,BLDC 和 PMSM 电机可实现的速度控制,更适合变速应用,并具有出色的速度与扭矩特性。
    电机控制器
    由于 BLDC 电机和 PMSM 均采用电子换向,因此它们需要专用电路来提供准确的线圈??通电时序,从而确保准确的调速、转矩控制和效率优化。
    今天,该电路(也称为电机控制器)被集成到一个驱动外部(在某些情况下是内部)大功率 MOSFET 的高性能微控制器中。集成解决方案的主要好处主要有两个:
    它简化了电机驱动电路的设计,将复杂性转移到微控制器内部
    它减少了外部组件 (BOM) 的数量,从而降低了成本。
    电机控制器中实现的重要功能如下:
    调节电机速度、扭矩或功率输出
    启动阶段控制(软启动)
    防止电路故障和过载
    加速和减速曲线
    电机驱动类型
    BLDC 电机和 PMSM 都可以视为同步电机。应用于定子相位的换向产生旋转磁场,而转子上的磁极试图赶上同步。这会导致电机旋转,如果应用换向,电机会继续旋转。
    当载流导体置于磁场中或导体切断磁场时,导体中会感应或产生电动势 (EMF)。闭合路径是允许电流流过的路径。由于电机中感应的电动势与发电机的电动势相反,因此在任何电机中因运动而产生的电动势称为反电动势。
    BLDC 和 PMSM 电机的定子绕组几何形状不同,这会导致不同的反电动势 (BEMF) 响应。

    更准确地说,BLDC BEMF 响应是梯形的,而 PMSM 具有正弦 BEMF(见图 2)。这是因为在 PMSM 中,线圈以正弦曲线方式缠绕,从而产生正弦曲线 BEMF 特征(非常类似于相位相隔 120° 的三个正弦波)。

    图 2:BLDC 和 PMSM 电机的 BEMF(:[1])
    图 2:BLDC 和 PMSM 电机的 BEMF(:[1])
    由于 BEMF 波形不同,因此每种电机类型都需要不同的控制。
    梯形和 FOC 控制
    为了获得控制 PMSM 电机所需的正弦波形,使用了 FOC(磁场定向控制)算法。FOC 是使用两个正交分量的三相电机中定子的变频控制。一个是由定子产生的磁通量,而另一个是由转子位置确定的电机速度所定义的转矩。
    在正弦换向中,所有三根导线都被一个每相相隔 120° 的正弦电流连续通电。这会产生一个在电机笼内旋转的南北磁场。为了正确运行,FOC 算法需要知道电机的位置和速度。
    与 PMSM 电机控制相比,BLDC 电机控制更简单、更简单且成本更低。然而,后者在电流波形中实现了更低的噪声和更少的谐波。通常,BLDC 电机使用六步梯形算法性能更好,而 PMSM 电机使用正弦波换向算法性能更好。
    有传感器和无传感器电机
    带传感器的 BLDC 和 PMSM 电机使用嵌入电机定子中的霍尔传感器(每相一个)。这允许控制器知道转子位置,从而确定哪个扇区需要通电以及何时通电。
    带传感器的电机更昂贵,需要更多布线并增加了生产的复杂性。由于这些原因,无传感器电机在许多应用中变得流行起来。无传感器电机需要算法来使用电机作为传感器并依赖于 BEMF 信息来运行。在控制 BLDC 电机的传统六步梯形换向算法中,在任何给定时间只有两相通电。另一相是浮动的,提供了了解电机 BEMF 的窗口。通过对该 BEMF 进行采样,可以推断出转子位置,从而无需使用基于硬件的传感器。
    无传感器算法的主要缺点是在启动期间,此时 BEMF(与电机速度成正比)为零。如果没有 BEMF,则无法确定转子位置。然而,将高频信号注入三相以推断转子位置的新算法可以克服这个问题。
    电机控制器
    当今的集成电机控制器,如图 3 所示的片上系统 (SoC),在单个芯片中包含了控制电机运行所需的所有模拟和数字部件。

    如图 3 所示,微控制器内核具有模拟前端、电源驱动器、电源管理、脉冲宽度调制 (PWM) 发生器和序列驱动数据采集。电源管理器还处理系统功能,包括内部参考生成、定时器、休眠模式管理以及电源和温度监控。

    图 3:高度集成的 BLDC 电机控制器/驱动器(:[1])
    图 3:高度集成的 BLDC 电机控制器/驱动器(:[1])
    将所有这些模块集成到单个设备中,而不是使用分立组件,为所有应用程序提供了一个紧凑的软件可配置解决方案,简化了设计并降低了成本和上市时间。

关键词:电机

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