使用逐周期電流限制控制保護我們的 BLDC 電機驅(qū)動器 – 第 1 部分

無刷直流 (BLDC) 電機因其高效率、高扭矩重量比、低維護和長壽命而廣受歡迎。三相無刷直流電機由三相繞線定子和帶有永磁體的轉(zhuǎn)子組成。BLDC 電機中沒有電刷，因此需要使用電子驅(qū)動器來正確換向電機繞組中的電流。

BLDC 電機最常見的電力電子驅(qū)動器是三相 H 橋逆變器。電機繞組電流根據(jù)位置傳感器反饋或無傳感器算法進行換向。BLDC 電機由 120 度梯形控制驅(qū)動，其中一次只有兩個繞組導(dǎo)通。繞組電流由單極開關(guān)(軟斬波)控制，三相逆變器的每個開關(guān)在此處導(dǎo)通 120 度電周期。使用公式 1 中給出的電機電氣模型計算任意時刻 BLDC 電機的繞組電流。

其中 V 是施加在兩個導(dǎo)電繞組上的電壓，R 是線間電機繞組電阻，L 是線間電機繞組電感，E 是線間反電動勢(電磁場)。

等式 1 表明瞬時繞組電流取決于反電動勢、電機電阻、電感和施加電壓。電機的反電動勢與其角速度成正比;因此在失速條件(零速度)下，反電動勢為零。這意味著當電機停轉(zhuǎn)時，電機繞組中的穩(wěn)態(tài)電流僅受電機電阻的限制。當電機在高(過)電流下飽和時，電感下降，電流上升甚至比標稱電流水平更快。

考慮一個額定功率為 400W、額定直流電壓為 220V 和額定 RMS 繞組電流為 3.6A 的 BLDC 電機的示例。電機的繞組電阻約為 6Ω。因此失速電流 = V/R = 220V/6Ω = 36.67A。這意味著，如果我們沒有適當?shù)南蘖鞅Ｗo，則逆變器級的額定電流必須為 36.67A。

如果允許電機驅(qū)動系統(tǒng)承載失速電流：

· 逆變器級必須額定承載失速電流，這使得逆變器級體積龐大且成本高昂。

· 讓電機繞組長時間承載失速電流會使電機過熱。這可能會導(dǎo)致繞組燒毀。此外，永磁體可能會因高溫或高退磁電流而退磁。

如果我們針對額定電流設(shè)計電機驅(qū)動系統(tǒng)，則需要適當?shù)睦@組過流保護來保護逆變器級和電機。要實現(xiàn)繞組過流保護，第一步是檢測繞組電流。

理想情況下，我們可以通過將電流傳感器與所有相串聯(lián)或在所有逆變器支路中放置電流傳感器來測量三相繞組電流?；蛘撸覀兛梢愿袦y兩個相電流并通過將所有相電流的代數(shù)和設(shè)為零來確定第三相電流。

在 BLDC 電機的梯形控制期間，對于每個 60 度電氣換向周期，只有兩個逆變器支路處于活動狀態(tài)并為電機供電;通過同時關(guān)閉高側(cè)和低側(cè)開關(guān)，第三個逆變器支路保持在高阻抗狀態(tài)。任何時候都只有兩個階段開啟。這意味著我們可以通過感測直流母線電流來測量繞組電流。我們可以在直流總線返回處放置一個低成本檢測電阻器來檢測電機電流，如圖 1 所示。

對于單極二象限驅(qū)動，僅將脈寬調(diào)制 (PWM) 應(yīng)用于一個有源橋臂的高側(cè)開關(guān)。在整個 60 度電氣換向期間，另一個有源腿的低側(cè)開關(guān)將保持打開狀態(tài)。

考慮一個換相期，其中 A 和 B 相處于活動狀態(tài)。當頂部開關(guān)打開時，兩相繞組將通電。當頂部和底部開關(guān)打開時，直流母線電流與繞組電流相同。當頂部 PWM 為低電平時，頂部開關(guān)關(guān)閉，繞組電流將通過 Q2 的二極管續(xù)流。在此續(xù)流期間(頂部開關(guān)關(guān)閉而底部開關(guān)打開)，繞組電流不流過直流母線;因此直流母線電流為零。續(xù)流期間電流不增加，而是減少。這表明直流母線電流測量足以提供繞組過流保護。

從我到目前為止的解釋中，我們可以看到可以通過感測直流母線電流來控制電機繞組電流。我們可以通過檢測直流母線電流并針對標稱電機電流設(shè)計逆變器，而不是針對失速電流進行過度設(shè)計，從而實現(xiàn)峰值電流限制控制。對于低電感 BLDC 電機(通常從幾個微亨到幾十毫亨)，較高的繞組電阻電感比會導(dǎo)致較高的繞組電流上升率。限流保護必須快速(遠低于 1μs)并在每個 PWM 周期起作用以避免任何短電流尖峰。

在第 2 部分中， 我將討論如何通過檢測直流總線電流和使用超低功耗微控制器來實現(xiàn)逐周期過流保護。