您已经了解功率的作用:无刷直流电机控制的 6 个要素

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消费者对功率、可靠性、功能性和性能的需求不断上升,推动着电子设备(包括剪草机、冰箱、真空吸尘器、汽车等)的快速发展。制造商希望实现全方位交付。电机控制在兑现这些承诺方面发挥着主要作用,而了解基本原理是实现这一目标的第一步。

本博文包含节选自 《电机控制基础lDummies》电子书的摘录,同时介绍了无刷直流 (BLDC) 电机管理的电机控制关键要素,以及如何在降低成本、节省空间和提高性能的同时,提高电机效率。您可以在 Qorvo 设计中心的电子读物部分下载整本书。

以下是本电子书中的一些亮点:

1.不同的电机类型

当今可用的几种电机控制拓扑结构:有刷、无刷直流 (BLDC)、步进和电感。BLDC 和永磁同步电机 (PMSM) 是两种最密切相关的无刷电机类型。

电机控制基础Dummies

1.1

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无刷电机无需使用电机电刷,因而广泛用于当今的许多应用中。这些 BLDC 拓扑结构使用换向逻辑来移动转子,从而提高电机的效率和可靠性。

1.2

有刷电机中的换向由电刷/换向器接口实现。该接口会产生摩擦和电弧,随着时间的推移会降低电刷的性能。这种摩擦会产生热量并缩短电机的使用寿命。

与有刷电机相比,BLDC 电机有许多优点。它们更节能、更小巧、更轻便、更安静、更可靠、更耐用。此外,它们还提供精确的速度控制,更适合变速应用。

2.了解 BLDC 和 PMSM 类型的电机

BLDC 和 PMSM 电机的工作原理与同步电机相同。转子在每次换向时都会继续跟随定子转动,所以电机能够持续运转。然而,这两种直流电机的定子绕组采用不同的几何形状,因此可产生不同的反电动势 (BEMF) 响应。BLDC BEFM 为梯形。PMSM 电机的 BEMF 则为正弦曲线形,因此线圈绕组以正弦方式缠绕。为最大限度地提高性能,这些电极通常采用正弦波换向。

1.3

BLDC 和 PMSM 电机在运行时通过其绕组产生电动势。在任何电机中,由于运动,产生的 EMF 称为反电动势 (BEMF),这是因为电机中感应的电动势与发电机的电动势相反。

3.磁场定向控制说明

为实现控制 PMSM 电机的正弦波形,需要使用磁场定向控制 (FOC) 算法。FOC 通常用于最大限度地提高 PMSM 三相电机的效率。与 BLDC 的梯形控制器相比,PMSM 的正弦控制器更为复杂,成本也更高。然而,成本的增加也带来了一些优势,如减少了电流波形中的噪声和谐波。BLDC 的主要优势是更易于控制。最后,最好根据应用需求来选择电机。

4.带传感器和不带传感器的 BLDC 和 PMSM 电机

BLDC 和 PMSM 电机可带传感器,也可不带传感器。带传感器的电机适用于需要在负载条件下起动电机的应用。这些电机使用霍尔传感器,传感器嵌入电极定子中。从本质上说,传感器就是一种开关,其数字输出等同于检测到的磁场极性。电机的每个相都需要使用一个单独的霍尔传感器。因此,三相电机需要三个霍尔传感器。不带传感器的电机需要将电机用作传感器,采用算法来运行。它们依赖于 BEMF 信息。通过对 BEMF 进行采样,可推断出转子的位置,从而无需使用基于硬件的传感器。无论电机的拓扑结构如何,控制这些机器需要了解转子位置,这样电机才能有效换向。

1.4

5.电机控制软件算法

如今,计算机程序之类的软件算法(即为执行具体任务而设计的一组指令)开始用于控制 BLDC 和 PMSM 电机。这些软件算法通过监控电机运行来提高电机效率,降低运行成本。算法中的一些主要功能包括电机初始化、霍尔传感器位置检测以及用于提高或降低电流基准的开关信号检查。

6.控制器如何处理电机传感器信息

三相 BLDC 电机具有 6 种状态。如下图所示,三位代码可用于表示 1 至 6 之间的操作码编号。传感器用于通过 8 个操作码中的 6 个操作码(1 至 6)提供三位数据输出。该信息非常有用,因为控制器可确定何时发出了非法操作码,并根据合法操作码(1 至 6)执行操作。如下图所示,算法获取霍尔传感器操作码,并对其进行解码。当霍尔传感器操作码值发生变化时,控制器就会改变送电方案,以实现换向。微控制器使用操作码从查找表中提取送电信息。在使用新的扇区命令给三相逆变器送电后,磁场转移至新位置,同时推动着转子沿着移动方向运动。电机运转时会不断重复此过程。

1.5

以上内容节选自 Qorvo Motor Control For Dummies。欢迎大家下载我们的免费电子读物,以获取更多有关电源管理的见解。

4

David Schnaufer

Qorvo 技术营销传播经理

David 充当了 Qorvo 应用工程师的公共代言人角色。他提供对射频技术发展趋势的深入技术剖析,还提供各种建议,帮助射频工程师解决复杂设计问题。

 

来源: Qorvo半导体

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