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正弦控制三相无刷直流电机的启事和措施

宣布时间:2019年01月08日 10:01    宣布者:小编
要害词: 正弦控制 , 直流电机
泉源:Digi-Key

无刷直流 (BLDC) 电机在种种各样的应用中广受喜欢,如盘算机冷却风扇、磁盘驱动器、无线电动工具、电动自行车和电唱机转盘。 随着价钱一连降低,电机将取得以致更普遍的应用,对资源最为敏感的应用则另当别论。 可是,随着需求的增添,人们也愈来愈多地请求 BLDC 电机运转更腻滑、更高效、更清静。

虽然正弦控制是到达这些目的的最好要领,但相关于越发传统的梯形控制手艺,这类控制则会增添资源和严重年夜性。 本文将议论辩说 BLDC 电机控制的基泉源基础理,和应用正弦控制而不是梯形控制的启事。 本文还将简介一些现成的商业处置赏罚赏罚妄图,网罗集成式电机驱动器和控制器芯片等形式,这些妄图可用于加倍轻松地过渡到正弦控制并加速设计流程。

BLDC 电机基泉源基础理

BLDC 电机经由历程反向电机设置扫除应用机械换向器的请求;绕组成为定子,永磁体成为转子的一部门。 绕组通常由应用脉冲宽度调制 (PWM) 控制的六 MOSFET 电桥供电,它们凭证控制序次阻拦转向,发生改变磁场,从而“拖拽”围绕它的转子并驱动相连的负载(图 1)。

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图 1: BLDC 电机的供电要领是经由历程应用 PWM 旌旗暗记按序勉励绕组。 PWM 旌旗暗记的占空比与驱动电压成比例。 在本图中,“U”、“V”和“W”是绕组,“HA”、“HB”和“HC”是职位感应霍尔效应传感器。 (图片泉源: ON Semiconductor/Fairchild

换向由转子和定子的相对职位一定,详细则经由历程霍尔效应传感器丈量,或经由历程电机迁徙改变时天生的反电动势 (EMF) 幅度丈量(限无传感器电机)。

现在有三种电子换向控制妄图:梯形、正弦和磁场定向控制 (FOC)。 FOC 完成资源高,公用于高端应用,是以本文不做议论辩说。

关于许多应用,梯形控制的 BLDC 电机是最利益置赏罚妄图。 这类电机结构紧凑、性能可靠,且价钱也在迅速降低,是以特殊合适许多小型电机应用,网罗汽车、白色家电和盘算机。

此外,梯形手艺最容易完成,是以也最受迎接。 电机每相由直流供电,每 60˚ 阻拦换向。 相位驱动为“高”、“低”或保持浮动状态。

现实上,这样的系统可发生腻滑、恒定扭矩。 现实上,特定相位的电流弗成能瞬间由低转为高。 相反,所招致的上升时间在输入中天生与转向准时不合的波纹(图 2)。

2.jpg
图 2: 应用梯形控制的三相 BLDC 电机的电波形。 请重视,发生转向时每个相位的驱动电流稍微降低。 这会惹起电机扭矩中的波纹。 虚线纪录了每个相位中反电动势的梯形图,其中过零点与相位的浮动周期中央点重合。 (图片泉源:Texas Instruments)

转矩摇动不是梯形控制 BLDC 电机的唯一弱点。 此外一个弱点是电气和声学噪声。 一个主要的噪声泉源就是为每个相位供电的快速切换直流电流。 从电气角度来讲,这类噪声会加热绕组并降低效能。 从声学角度来讲,开关频率及其谐波发生的“嗡嗡”声响频率虽然不是很年夜,但很是顺耳。

(有关 BLDC 电机运转和梯形控制妄图的详细信息,请参阅质料库文章《若何对无刷直流电机阻拦供电和控制》。)

实验正弦控制

正弦控制很是严重年夜,很少有工程师可以仅借用基泉源基础理就完成系统。 一个更好的措施就是应用芯片供应商的知识和 BLDC 电机设计开发套件。 NXP 的 FRDM-KE04Z 就是一个例子。

它应用 Kinetis KE04 ARM® Cortex®-M0 MCU 运转正弦算法。 由于控制电路设计基于一种浅易的 BLDC 驱动器芯片,是以进一步减轻了完成难度。 这些装备通常将 PWM 控制和电力电子器件集成到一个芯片,并供应外部 MCU 的接口。 其他装备集成 MCU,仅需一些特此外无源元器件便可以组成完全电路。

正弦替换要领:“鞍形”图

现实中少少应用纯粹弦驱动电压,由于相关于接地而言,为每个电机端子天生电压的效力很低。 一个更好的措施就是在相位间天生正弦差分电压,相位偏移 120˚ 阻拦换向。 完成要领是经由历程应用“鞍形”图(而不是正弦)改变相关于接地的 PWM 占空比(和驱动电压)(图 3)。 随后,驱动电机的相电流就遵守相间电压的纯粹弦波变换。

3.jpg
图 3: 现实正弦控制完成不应用纯粹弦波电压驱动每个相位。 相反,应用鞍形电压会在两个端子之间发生正弦波差分电压,相位偏移 120˚ 阻拦换向。 这样,给定电压下的扭矩和速率会更年夜,效能也取得提升。 (图片泉源:NXP)

鞍形图措施有两个优点: 第一,所发生的最年夜差分电压要高于纯粹弦旌旗暗记所能发生的电压,是以给定输入的扭矩和速率也更年夜。 第二,每个端子 1/3 时间输入为零,进一步增添了功率级中的开关消耗。

正弦控制措施的一个严重年夜的处所在于:凭证组成鞍形电压输入所必须的电机角度来准确控制占空比。 这在高速改变时以致变得加倍艰辛。 寻衅主要在于每转只能准确一定电机职位六次,而转子的其中一个磁极经由三个霍尔传感器中的一个。 例如,FRDM-KE04Z 经常应用的处置赏罚赏罚妄图是将电机角速率乘以 ∂T 并假定电机速率恒定,从而预算霍尔传感器之间的电机角度 (“mtrAngle”)。

然后应用查询表一定特定角度的 PWM 占空比。 在 FRDM-KE04Z 中,查询表为电机改变的每个角度(现实 384 个增量)供应占空比。

下面的代码片断说清晰了了 FRDM-KE04Z 若何盘算角度(顺时针改变)1:


deltaAngle = F32Add(deltaAngle,F32Abs(velocityAct));
if (deltaAngle >= DELTANGLE_MAX) //limit deltaAngle range into
{                                     [0,64]
deltaAngle = DELTANGLE_MAX;
}
mtrAngle = HallTableCW[motorPosition];
mtrAngle += (tU16)((deltaAngle) >> 12);
mtrAngle += (tU16)advanceAngle;
if (mtrAngle >= 384)
       {
           mtrAngle -= 384;
       }

盘算电机角度后,可应用以下代码(可会见查询表)盘算占空比:

dutyCycleU16A = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle]) >> 8);
      if (mtrAngle < 128)
       {
dutyCycleU16B = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle + 256]) >> 8);
}
else
{
dutyCycleU16B = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle - 128]) >> 8);
   }
if (mtrAngle >= 256)
{
dutyCycleU16C = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle -256]) >> 8);
}
else
{
dutyCycleU16C = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle + 128]) >> 8);
}

代码列表: 所需代码,用于盘算 FRDM-KE04Z 开发套件的电机角度和 PWM 占空比。 (代码泉源: NXP)

此类措施应用了应用鞍形图的附带影响。 特殊诠释:由于特定相位的电压值在三分之一时间内为零,这段时间不须要查询,是以须要的处置赏罚赏罚器资源更少,并允许在应用中应用更浅易的低资源 MCU。

这类措施的弱点是启动阶段电机快速加速时,霍尔传感器之间的电机速率插值很能够不准确。 这会招致扭矩照顾不结实。

针对这一效果,ROHM Semiconductor 的 BD62011FS 风扇电机控制器接纳的一种常看法决妄图是:以梯形控制形式启动电机,在到达特定速率(通常 5 - 100 Hz)后切换到正弦控制,此时插值的准确度更高。

Rohm 的装备主要针对装备霍尔传感器的 BLDC 电机的控制。 芯片接纳高压侧和高压侧 MOSFET 的 PWM 控制和正弦换向逻辑。 它可在 10 到 18 V 输入规模内运转,并供应介于 2.1 和 5.4 V(最高 1 W)的输入规模。 目的应用网罗空调、水泵和白色家电。

此外一个设计寻衅是给定相位驱动电压和发生的正弦波电流之间的相位延迟,通常发生于非赔偿型 BLDC 电机。 电机可正常运转,但效能将降低,这会首先挫败完成正弦控制妄图的目的。 这类效能低下的启事不是驱动电压和相位电流之间的相位延迟,而是相位电流和正弦反电动势之间的相位延迟。

幸运的是,许多驱动芯片,网罗 ON Semiconductor 的 LV8811G 功率 MOSFET 驱动器,允许设计职员在正弦驱动电流中引入超前相角,从而确保其峰值与反电动势的峰值不合。 超前相角通常设为随输入电压线性增添,而电压决议电机速率(图 4)。

4.jpg
图 4: 在非赔偿正弦控制 BLDC 电机中,相位电流延迟反电动势,组成了效能低下(上图)。 许多驱动器芯片网罗超前相角,这允许设计职员却定电流相位,使其与反电动势保持不合(下图)。 (图片泉源: ON Semiconductor/Fairchild)

LV8811G 是三相 BLDC 电机驱动器,由单个霍尔传感器控制并接纳正弦控制。 直接 PWM 脉冲输入或直流电压输入都可用于控制电机转速。

应用 LV118811G 时,设计职员可经由历程引脚 PH1 和 PH2 上的分压电阻器来设置初始条件:相角泉源超前的速率和超前相角斜坡的梯度。 以后芯片的外部逻辑凭证预定公式一定给定速率的超前相角。

无传感器 BLDC 正弦控制

正弦控制还可经由历程无传感器的 BLDC 电机完成。 这些电机的运转要领与应用霍尔效应传感器的电机类似,除职位信息是经由历程丈量反电动势取得。 (有关详细信息,请参阅质料库文章《经由历程反电动势控制无传感器的 BLDC 电机》。)

例如,Texas Instruments 的 DRV10983 就是设计用于无传感器的 BLDC 电机的正弦控制。 芯片集成电力电子器件,可以毗连外部 MCU 并供应高达 2 A 的一连驱动电流。正弦控制经由历程应用公司的专有控制妄图来完成。

在该妄图中,换向控制算法一连丈量电机相电流并定期丈量供电电压。 然后,装备应用该信息盘算反电动势和电机职位。 电机速率由单元时间内一个相位的反电动势的过零次数一定。 芯片还允许超前相角,以调剂相电流和反电动势,从而完成最年夜效能。

DRV10983 是专门设计用于资源敏感、低噪声、低外部元器件计数的应用(图 5)。

5.jpg
图 5: Texas Instruments 的 DRV10983 使设计职员能够培植一个正弦控制的 BLDC 电机系统,其中网罗低资源的 MCU 和一小部门的无源元器件。 (体现图应用 Digi-Key Scheme-it® 绘制,原图来自 Texas Instruments)

总结

BLDC 电机由于性能和可靠性的优势,正徐徐成为传统有刷型电机的替换产物。 关于许多应用,梯形控制可知足应用预期,但假定设计职员的义务是前进效能、增添电气和声学噪声并前进扭矩转达,则应推敲正弦控制。

虽然正弦控制增添了严重年夜度和资源,但开发工具、功效性 MCU 和集成驱动器 IC 已年夜年夜简化了设计流程,使正弦控制加倍适用质朴。 不只云云,开发工具的无邪性和驱动器 IC 的顺应性使设计职员能够精调应用的电机,并更多关注产物差异化方面。
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