為 BLDC 電機設計高效、高性能的驅(qū)動電路

今天，人們對環(huán)境和節(jié)能的意識與以往一樣高。洗衣機、干衣機和冰箱等新一代大型家用電器必須具有更高的性能參數(shù)，例如更高的效率和更低的電磁干擾。系統(tǒng)靈活性必須很高，以促進市場修改并縮短開發(fā)時間。設計人員必須進行所有這些改進，同時降低系統(tǒng)成本。

在效率和成本的推動下，無刷直流 (BLDC) 電機在家用電器中越來越受歡迎。您現(xiàn)在可以在洗衣機、空調(diào)、冰箱等中找到它們。與有刷直流電機和交流電機不同，BLDC 電機有多種驅(qū)動方式。每種驅(qū)動程序方法都有自己的優(yōu)缺點，我們將在帖子中討論。

BLDC 驅(qū)動器控制方法的重要性

BLDC 電機的電子換向器按順序從 u 相到 v 相再到 w 相，并為定子線圈通電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場，從而“拖動”轉(zhuǎn)子。高效運行依賴于線圈的精確通電，具體取決于定子和轉(zhuǎn)子的相對位置。BLDC 電機使用傳感器或無傳感器反饋進行轉(zhuǎn)子位置反饋。

在傳感器設計中，三個霍爾效應傳感器集成電路 (IC) 安裝在電機定子附近的位置?；魻杺鞲衅?IC 轉(zhuǎn)換的時序?qū)诜措妱觿?(BEMF) 過零。在無傳感器技術(shù)中，驅(qū)動器取決于電機 BEMF 零電壓交叉的時間。

許多應用正在轉(zhuǎn)向無傳感器驅(qū)動器，因為它們消除了電機設計中的霍爾效應傳感器 IC 和相關(guān)電路。BEMF 是速度的函數(shù)，其中啟動時 BEMF 為零。無傳感器設計需要復雜的開環(huán)啟動算法，以便將電機加速到可以檢測到 BEMF 的速度。霍爾換向驅(qū)動器始終檢測轉(zhuǎn)子位置，因此啟動是可靠的，但會增加電機組件的額外成本。

電子換向有三種控制方案：

· 梯形。圖 1 中所示的梯形技術(shù)為兩相供電，一相為電機提供電流，另一相提供電流返回路徑。第三階段不驅(qū)動。驅(qū)動器控制三相驅(qū)動器中的哪兩個開關(guān)必須被正向或負向控制，以便為兩個有源線圈通電。當電機轉(zhuǎn)動時，電機端子的電流每旋轉(zhuǎn) 60 度就換向一次。梯形法的優(yōu)點是最容易實現(xiàn)；缺點是這種階梯式換向會導致轉(zhuǎn)矩脈動。轉(zhuǎn)矩脈動會導致速度變化，從而導致振動和可聞噪聲。

圖 1：梯形控制和轉(zhuǎn)矩脈動

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正弦. 在實際設計中很少使用純正弦驅(qū)動電壓，因為它們不能為每個電機端子提供足夠的接地電壓。更好的方法是通過使用“鞍形”曲線改變相對于地的脈寬調(diào)制 (PWM) 占空比（以及驅(qū)動電壓），在相之間生成正弦差分電壓，偏移 120 度以進行換向（圖 2） ）。產(chǎn)生的相電流 然后驅(qū)動電機遵循相間電壓的純正弦波變化。鞍形曲線技術(shù)有兩個優(yōu)點：首先，產(chǎn)生的最大差分電壓高于純正弦信號所能產(chǎn)生的電壓，為給定的輸入提供更高的扭矩和速度。其次，每個終端輸出在三分之一的時間內(nèi)為零，進一步降低了功率級的開關(guān)損耗。

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圖 2：鞍座輪廓正弦控制

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磁場定向控制（FOC）。FOC 控制方法將三相交流電動機的定子電流識別為兩個正交分量，可以用矢量表示（圖 3）。一個分量定義了電機的磁通量；另一個分量定義扭矩。驅(qū)動器的控制系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動器速度控制給出的磁通和轉(zhuǎn)矩參考值計算相應的電流分量參考值。電流比例積分 (PI) 控制方法控制驅(qū)動器的 PWM 輸出。

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圖 3：FOC 控制理論

分析了三種控制方法后，FOC 需要復雜的算法來跟蹤電機扭矩，并且需要高性能微控制器 (MCU)。使用 BEMF 檢測模擬電路很容易實現(xiàn)梯形控制，但會在每次換向時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。正弦控制會在換向過程中計算 BEMF，但如果負載突然變化，計算將失敗。表 1 比較了每種控制方法。

表 1：BLDC 電機控制方法的比較

電器具有穩(wěn)定的排水泵和風扇負載，正弦控制方案因其低成本、低轉(zhuǎn)矩脈動、低可聽噪聲和低響應時間而成為最佳選擇。TI 的 DRV10987 BLDC 電機驅(qū)動器是一種單芯片正弦解決方案，適用于洗衣機排水泵和烘干機風扇中使用的 50W BLDC 電機，正弦控制可將噪聲降低多達 13dB，并將效率提高多達 10% 。

DRV10987 將控制邏輯與金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 集成在一起。您可以通過模擬電壓、PWM或I 2 C接口控制電機。借助 DRV10987，您可以設計外形小巧的緊湊型驅(qū)動器。

圖 4 所示，詳細介紹了使用 DRV10987 的閉環(huán)速度控制。

圖 4：具有閉環(huán)速度控制的 24V、36W 無傳感器 BLDC 電機驅(qū)動參考設計

DRV10987 還集成了完整的保護邏輯，以實現(xiàn)洗衣機和冰箱等電器所需的強大的電機驅(qū)動器控制方法。過流保護電路執(zhí)行相間、相間和地間短路和相間短路保護。集成的電流限制邏輯可以將相電流限制在 MOSFET 的峰值電流能力 (3A) 內(nèi)。轉(zhuǎn)子鎖定檢測具有快速準確的方法來檢測丟失位置和轉(zhuǎn)子鎖定情況?？闺妷豪擞浚ˋVS）、過壓和欠壓保護可以防止芯片因直流總線故障而損壞。對于穩(wěn)健的系統(tǒng)設計，集成熱保護可以防止芯片因過熱而損壞。