無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器正弦控制三相直流無(wú)刷電機(jī)工作原理

來(lái)源：深圳市鑫海文科技有限公司|發(fā)布時(shí)間：2019-07-30 19:39

無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)在各種應(yīng)用中受到青睞，如計(jì)算機(jī)冷卻風(fēng)扇，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，無(wú)刷電動(dòng)工具，電動(dòng)自行車(chē)和唱片轉(zhuǎn)盤(pán)等方面都有應(yīng)用。隨著價(jià)格持續(xù)下降，除了一些對(duì)價(jià)格要求比較高的的應(yīng)用外，電機(jī)將在更廣泛的用途中得到應(yīng)用。然而，隨著需求的增加，對(duì)無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行更平穩(wěn)，更高效和更安靜的要求也越來(lái)越高。
 
雖然正弦控制是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的最佳方式，但與傳統(tǒng)的梯形控制技術(shù)相比，它具有額外的成本和復(fù)雜性。本文將討論無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器控制基礎(chǔ)知識(shí)以及考慮梯形控制的原因。然后，它將以集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器芯片的形式引入一些商用現(xiàn)成的解決方案，這些解決方案可用于向正弦曲線過(guò)渡，并且可以加速設(shè)計(jì)過(guò)程。
 
無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)知識(shí)
無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器通過(guò)反轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)置克服了對(duì)機(jī)械換向器的要求。繞組成為定子，永磁體成為轉(zhuǎn)子的一部分。通常由使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制的六MOSFET橋接器供電，繞組以受控的順序進(jìn)行換向，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)“拖動(dòng)”轉(zhuǎn)子并驅(qū)動(dòng)附著的負(fù)載（圖1）。
 


圖1：無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器通過(guò)使用PWM信號(hào)順序激勵(lì)繞組供電。PWM信號(hào)的占空比與驅(qū)動(dòng)電壓成比例。在該圖像中，“U”，“V”和“W”是繞組，“HA”，“HB”和“HC”是位置感應(yīng)霍爾效應(yīng)傳感器。（圖片來(lái)源：安森美半導(dǎo)體/ Fairchild）
序列由定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置確定，由霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量，或者在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反電磁力（EMF）的大?。ㄔ?ldquo;無(wú)傳感器”單元中）。電子換向有三種控制方案：梯形，正弦和磁場(chǎng)定向控制（FOC）。FOC實(shí)現(xiàn)起來(lái)很昂貴，并且保留用于高端應(yīng)用程序，本文不討論。
對(duì)于許多應(yīng)用，梯形控制無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器是最佳解決方案。它們結(jié)構(gòu)緊湊，可靠且價(jià)格迅速下降，特別適用于許多小型電機(jī)應(yīng)用，包括汽車(chē)，白色家電和計(jì)算機(jī)。此外，梯形技術(shù)是最容易實(shí)現(xiàn)的，并且是最受歡迎的。電機(jī)的每相都由直流電供電，每60?換向一次。相位被驅(qū)動(dòng)為“高”，“低”或浮動(dòng)。
 
理論上，這樣的系統(tǒng)可以產(chǎn)生平滑，恒定的扭矩。實(shí)際上，給定相的電流不可能瞬間從低變高。相反，由此產(chǎn)生的上升時(shí)間會(huì)在輸出中產(chǎn)生一個(gè)與換向時(shí)序一致的紋波（圖2）。
 


圖2：使用梯形控制的三相無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器的電氣波形。請(qǐng)注意，換相時(shí)每相驅(qū)動(dòng)電流會(huì)略微下降。這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)扭矩產(chǎn)生波動(dòng)。虛線描繪了每相中反電動(dòng)勢(shì)的梯形輪廓，過(guò)零點(diǎn)與相位浮動(dòng)周期的中點(diǎn)重合。（圖片來(lái)源：德州儀器）
 
扭矩紋波不是梯形控制無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器的唯一缺點(diǎn)。另一個(gè)缺點(diǎn)是電噪聲和聲學(xué)噪聲。這種噪聲的一個(gè)關(guān)鍵來(lái)源是快速切換直流電為各相供電。從電氣角度來(lái)看，這種噪音會(huì)加熱繞組并降低效率。從聲學(xué)角度來(lái)看，由開(kāi)關(guān)頻率及其諧波產(chǎn)生的“嗡嗡聲”處于可聽(tīng)頻率，雖然不一定響亮，但可以是光柵。
（有關(guān)無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器操作和梯形控制方案的更多信息，請(qǐng)參閱庫(kù)文章“ 如何為無(wú)刷直流電機(jī)供電和控制 ”。）