走向綠色低碳：使用高效的無(wú)刷直流電機(jī)成為趨勢(shì)

近年來(lái)，在許多市場(chǎng)和應(yīng)用中出現(xiàn)了使用效率更高的無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)的趨勢(shì)。許多應(yīng)用正在使用(或可能使用)這些電機(jī)來(lái)代替交流感應(yīng)電機(jī)。

使用 BLDC 電機(jī)的一些主要優(yōu)勢(shì)包括更高的效率(75% 對(duì) 40%)、更少的熱量產(chǎn)生、更高的可靠性(無(wú)刷磨損)和更安全的操作(無(wú)刷塵或電弧產(chǎn)生)。在關(guān)鍵子系統(tǒng)中使用這些電機(jī)還可以減輕整個(gè)系統(tǒng)的重量。

而且由于 BLDC 電機(jī)是完全電子換向的，因此在更高的速度下控制扭矩和轉(zhuǎn)速要容易得多。

仔細(xì)觀察

BLDC 電機(jī)是同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子集成有永磁體。與交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，它們?cè)诙ㄗ又杏芯€圈繞組。繞組在定子極片上產(chǎn)生磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)可以旋轉(zhuǎn)(見(jiàn)左圖)。電氣端子直接連接到定子繞組，因此轉(zhuǎn)子沒(méi)有電刷或機(jī)械觸點(diǎn)。

這些電機(jī)使用直流電源和開(kāi)關(guān)電路在定子繞組上產(chǎn)生雙向電流。開(kāi)關(guān)電路由每個(gè)繞組的高邊和低邊開(kāi)關(guān)組成。一個(gè) BLDC 電機(jī)總共需要六個(gè)開(kāi)關(guān)。這種切換動(dòng)作導(dǎo)致定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。

由于成本、可靠性和尺寸問(wèn)題，當(dāng)前的電機(jī)設(shè)計(jì)使用固態(tài)開(kāi)關(guān)(例如 MOSFET 或 IGBTS)而不是繼電器，具體取決于電機(jī)的電壓和速度。開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)極性，它吸引相反的極性并排斥相同的極性。磁力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子上使用永磁體具有減小尺寸和重量的機(jī)械優(yōu)勢(shì)。與有刷電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)相比，BLDC 電機(jī)具有更好的熱特性，使其成為下一代節(jié)能機(jī)械系統(tǒng)的理想選擇。

BLDC 電機(jī)通常使用三相(繞組)，每相的導(dǎo)通間隔為 120 度。

由于電流是雙向的，每相在每個(gè)導(dǎo)通間隔分為兩步。這稱為六步換相。一種換相相序選項(xiàng)是 AB-AC-BC-BA-CA-CB。每個(gè)導(dǎo)通階段稱為一個(gè)階躍，任何時(shí)候只有兩相導(dǎo)通電流，第三相懸空。未通電的繞組可用作反饋控制，這是無(wú)傳感器控制算法的基礎(chǔ)。

為了使定子中的磁場(chǎng)保持在轉(zhuǎn)子之前，從一個(gè)扇區(qū)到另一個(gè)扇區(qū)的轉(zhuǎn)換必須發(fā)生在精確的轉(zhuǎn)子位置以獲得最佳扭矩。通過(guò)每 60 度換向的開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)最大扭矩。所有的開(kāi)關(guān)控制算法都嵌入在微控制器單元 (MCU) 中。MCU 可以通過(guò)具有適當(dāng)特性的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器控制開(kāi)關(guān)電路，例如傳播延遲、上升和下降時(shí)間，以及將 MOSFET/IGBT 切換到開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓和電流同步等驅(qū)動(dòng)能力.

轉(zhuǎn)子位置是確定電機(jī)繞組換向正確時(shí)刻的關(guān)鍵。在需要精度的應(yīng)用中，霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速計(jì)用于計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置、速度和扭矩。在成本是一個(gè)因素的應(yīng)用中，反電動(dòng)勢(shì) (EMF) 可用于計(jì)算位置、速度和扭矩。

反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由永磁體在定子繞組中產(chǎn)生的電壓。反電動(dòng)勢(shì)具有可用于控制和反饋信號(hào)的三個(gè)重要特性。首先，它的大小與電機(jī)的速度成正比，因此工程師使用的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器至少可以運(yùn)行兩倍于電源的電壓。其次，隨著速度的增加，信號(hào)斜率也會(huì)增加。最后，信號(hào)圍繞交叉事件對(duì)稱。

準(zhǔn)確檢測(cè)過(guò)零事件是實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)算法的關(guān)鍵。反電動(dòng)勢(shì)模擬信號(hào)可以通過(guò)其混合信號(hào)電路直接發(fā)送到 MCU。通常，只需要一個(gè)或多個(gè)高壓運(yùn)算放大器即可。這些放大和電平轉(zhuǎn)換(根據(jù)需要)并將控制信號(hào)發(fā)送到大多數(shù)現(xiàn)代微控制器中通常可用的 ADC。

使用無(wú)傳感器控制時(shí)，啟動(dòng)順序很重要，因?yàn)?MCU 不知道初始轉(zhuǎn)子位置。第一步通過(guò)一次為兩個(gè)繞組通電來(lái)啟動(dòng)電機(jī)，同時(shí)從反電動(dòng)勢(shì)反饋回路進(jìn)行多次測(cè)量，直到可以確定精確的位置。

BLDC 電機(jī)通常在需要 MCU 的閉環(huán)控制系統(tǒng)中運(yùn)行。MCU 執(zhí)行伺服回路控制、計(jì)算、校正、PID 控制和傳感器管理，例如反電動(dòng)勢(shì)、霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速計(jì)。

這些數(shù)字控制器通常為 8 位或更高位，并且需要 EEPROM 來(lái)存儲(chǔ)固件，該固件執(zhí)行設(shè)置所需電機(jī)速度和方向以及保持電機(jī)穩(wěn)定性所需的算法。MCU 通常具有允許無(wú)傳感器電機(jī)控制架構(gòu)的 ADC，從而節(jié)省成本和電路板空間。MCU 提供了優(yōu)化應(yīng)用程序算法的能力。模擬器件為 MCU 提供節(jié)能電源、電壓調(diào)節(jié)、電壓基準(zhǔn)、驅(qū)動(dòng) MOSFET 或 IGBT 的能力以及故障保護(hù)。這兩種技術(shù)都允許您以與感應(yīng)和有刷電機(jī)相當(dāng)?shù)膬r(jià)格有效地使用三相 BLDC 電機(jī)。

在全球范圍內(nèi)，許多政府都面臨著電力短缺，這是電網(wǎng)不足的直接結(jié)果。許多地區(qū)現(xiàn)在在需求旺季面臨停電。這些政府現(xiàn)在正在為更有效地使用 BLDC 電機(jī)提供或計(jì)劃補(bǔ)貼。BLDC 實(shí)施是眾多綠色舉措之一，可以在不影響我們生活方式的情況下節(jié)省我們的資源。