电机科普系列丨直流电机控制器基础

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简介:消费者要求其家用电器、园艺工具和电机驱动产品动力更强、外形更小、效率更高。像很多消费类电子产品一样,消费者也期望这些产品成本更低、更可靠且易于使用。无刷直流(BLDC)电机有助于满足这些需求。为满足这一需求,需要完全优化、高度集成的片上系统(SOC)设备。当今的 SOC 设备是完全可编程的电机控制器,可提供高效、结构紧凑的解决方案,有助于满足 21 世纪制造商对绿色能源效率的严格要求。本书详细介绍了关于这些 SOC 如何提高效率以及在何处使用的宝贵信息。

本书是针对技术和非技术类读者而编写的。如果您是行政人员、销售员或设计工程师,本书均适合您。只要您对直流电机控制器电源管理怀有好奇心,即可阅读本书。在第一章里,我们将谈一下直流电机控制器基础。

在从汽车到冰箱和庭院工具等极其广泛的产品中,电机发挥着非常重要的作用。根据 IMS Research 的数据,每年市场上增加110 亿台电机,其消耗的电能占总耗电量的 45%。从传统的有刷直流电机到无刷电机,这一市场正在发生深刻变革。原因有多个,其中包括众多行业对提高能源效率的强烈需求。此外,便携式工具等不插电应用逐渐兴起,它们需要体积更小、重量更轻、耗电量更少的电机,从而使电池能够持续使用更长时间。

无刷电机具有许多优势,例如效率更高、重量更轻、控制更精确。但是,与传统的有刷电机不同,它们需要电子控制。因此,电机控制市场也随着有刷电机向无刷电机的转变而发展。在本章中,我们将介绍各种类型的电机,并阐明新技术如何使直流电机在很多不同类型的产品中得到应用。我们还将介绍直流无刷电机的工作原理。

电机类型简介

如今主要有如下几种类型的电机 :有刷直流电机、步进电机、感应电机以及无刷直流(BLDC)电机 / 永磁同步电机(PMSM)。图 1-1 是对电机类型的汇总。

1.1

密切相关的两种无刷电机——无刷直流(BLDC)电机和永磁同步电机(PMSM)越来越广泛地应用于众多领域。这些电机不需要电刷和换向器,因此比有刷电机更高效,并可有效延长电机寿命。

在有刷电机中,转向(在各相中切换电流,以便形成能够产生运动的旋转磁场的过程)由电刷 / 换向器接口产生。该接口会产生不利的摩擦和电弧。

无刷直流(BLDC)电机和永磁同步电机(PMSM)采用电子生成的旋转磁场,因此不需要使用电刷和换向器。这是通过使用外部电路调节传送到各相的电压和电流来实现的。

虽然这些电路稍微复杂一些,但与传统有刷电机相比,无刷直流(BLDC)电机和永磁同步电机(PMSM)具有一些重要的优势。它们的电子换向方案使能源效率比以相同速度运行的有刷电机提高了 20% 到 30%,同时更加耐用、体积更小、重量更轻、噪音也更小。

BLDC 电机 /PMSM 的兴起

组位于定子(电机的静止部分)。将绕组放在电机静止不动的部分,并将永磁体放在转子上,这样就不需要电刷了。在无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)中,通过电子控制器从外部控制流向固定定子线圈的电流。

这些无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)比其他类型的电机具有明显优势,因此,在许多应用中,它们正逐渐取代有刷直流电机和感应电机。实际上,无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)已广泛应用于汽车、电动工具和家用电器中。

与传统的有刷电机相比,无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)具有诸多优势。它们节能,体积更小,重量更轻,噪音更小,也更可靠耐用。此外,它们还能精确地控制速度,更适合用于变速应用。最后,它们还具有出色的速度扭矩特性。

无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)通常用于需要精确控制速度的地方。我们将在第二章详细介绍其工作原理,但基本概念如图 1-2所示。霍尔传感器或旋转编码器检测转子的位置,通过分析传感器输出端极性和变化率来测量速度。像图 1-2 中所示的三相无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)需要三个霍尔传感器。

1.2

电机或永磁同步电机(PMSM)采用电子换向电路,因此,它们需要监控电路来确保线圈激励精确定时,从而准确调节速度、恰当控制扭矩以及提高效率。在许多需要可调速和准确控制位置的新型电机应用中,这种驱动电路是必不可少的。

好消息是,所有必需的模拟功能都与功能强大的微控制器一起集成到单个电机控制单元中,从而驱动外部(或某些情况下集成在单元内部)功率金属氧化物半导体场效应晶体管。这种单独控制单元可简化设计流程并降低组件成本。

了解电机控制器的工作原理

电机控制器可完成多项非常重要的工作。其最基本的功能是通过控制各相的电压来调节电动机的速度和方向。但电机控制器还 :

  • 调节电机速度、扭矩或功率输出
  • 控制启动或软启动
  • 防止出现电路故障
  • 使电机加速和减速更平稳
  • 防止过载

为实现所有这些功能,电机控制器必须比以往更加智能。例如,它们能够通过监测负载并调整扭矩使其匹配来提高效率。提高效率的同时还减少电机的热量、噪音和振动。

具有常规三相逆变器的无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)传统上需要多个集成芯片(IC)来提供各种电机控制器功能。这其中包括微控制器、用于驱动功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的预驱动功率级、用于放大检测到的电机电流的差分放大器、提取反电动势 (BEMF) 信息的比较器以及降低电压的开关式和线性稳压器。

由于半导体技术的进步,如今很多功能都被并入一个小型控制装置中。

来源: Qorvo半导体

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