無(wú)刷直流(BLDC)電機正迅速成為要求高可靠性,高效率和高功率體積比的應用的自然選擇。這些電機在很寬的速度范圍內提供大量的扭矩,并且與有刷電機具有相似的扭矩和速度性能曲線(xiàn)特性(盡管有刷電機可提供更大的靜止扭矩)。
BLDC電機由于消除了傳統直流電機換向時(shí)使用的電刷而具有顯著(zhù)的可靠性。刷子磨損,降低了電機的性能,最終必須更換。相反,在額定參數范圍內運行時(shí),BLDC電機的預期壽命可超過(guò)10,000小時(shí)或更長(cháng)。與傳統裝置相比,這種壽命以及隨后的維護和備件成本的降低可以抵消電機的較高初始成本。
BLDC電機正在進(jìn)入最具成本意識的應用領(lǐng)域。例如,在汽車(chē)領(lǐng)域,BLDC電機的使用正在飆升。汽車(chē)制造商尤其被電機在機械工作中轉換電能的效率所吸引,這有助于降低對車(chē)輛電力系統的需求(圖1)。根據分析師IMS的研究,到2018年,6億只BLDC電機將用于內燃機驅動(dòng)的輕型車(chē)輛,而2011年則為2億只。(BLDC電機的大型版本在電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)中已經(jīng)很常見(jiàn)。)
圖1:BLDC電機,如用于水泵的這種裝置,正在取代汽車(chē)應用中的傳統電機(Melexis提供)。
BLDC電機的這種興趣促使芯片供應商為該單元的電子控制系統開(kāi)發(fā)定制的單片芯片。本文將詳細介紹BLDC電機控制芯片 - 用于驅動(dòng)逆變橋的設備,最終激活電機線(xiàn)圈并控制速度和方向等參數。
減少霍爾傳感器故障
飛兆半導體公司擁有BLDC電機控制的悠久歷史,最近推出的FCM8201芯片仍在繼續。該器件專(zhuān)為感應BLDC電機控制而設計。 (傳感電機需要霍爾效應傳感器來(lái)指示線(xiàn)圈位置以輔助電子換向序列)。
FCM8201的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步是它可以選擇脈沖寬度調制(PWM)模式。有兩種PWM模式可供選擇:正弦波模式和方波模式。方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技術(shù),可提高電機驅動(dòng)效率。
Fairchild解釋說(shuō),該器件還內置霍爾信號調節電路,可為每個(gè)傳感器信號輸入產(chǎn)生3至6μs的“去抖”時(shí)間。該電路減少了霍爾傳感器信號轉換緩慢時(shí)可能出現的毛刺 - 以及隨后的錯誤。
FCM8201可以在沒(méi)有外部微控制器(MCU)的獨立配置中使用,或者如果設計人員想要添加比標準設備支持更多的電機控制功能,則可以通過(guò)串行外設接口連接外部MCU( SPI)接口。圖2顯示了FCM8201的典型獨立應用電路。只需幾個(gè)外圍元件即可完成BLDC電機控制電路。
圖2:飛兆半導體FCM8201 BLDC電機控制器的典型獨立應用電路。
使用電機磁通進(jìn)行無(wú)傳感器控制
無(wú)傳感器BLDC電機取消霍爾傳感器,而?#19988;?#38752;電機轉動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢的大小來(lái)估算線(xiàn)圈位置并確定正確的換向順序。
無(wú)傳感器控制?#19988;?#31278;流行的技術(shù),因為它簡(jiǎn)化了電機的機械設計,但一個(gè)缺點(diǎn)是電機靜止時(shí)不會(huì )產(chǎn)生反電動(dòng)勢,而電機低速運行時(shí)則很少。這使得控制器難?#28304;_定線(xiàn)圈的位置。
針對低成本BLDC安裝,德州儀器(TI)推出了InstaSPIN-BLDC電機控制技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。該公司表示,InstaSPIN-BLDC?#19988;?#31278;無(wú)傳感器控制技術(shù),在50多種不同電機類(lèi)型的現場(chǎng)測試中,能夠在不到20秒的時(shí)間內啟動(dòng)和運行每臺電機。簡(jiǎn)而言之,TI將InstaSPIN-BLDC描述為在三相BLDC電機上執行無(wú)傳感器換向的軟件方法。據該公司稱(chēng),它的優(yōu)勢包括電機調試非常快速,即使在低速時(shí)也能實(shí)現強大的控制,以及超越速度擾動(dòng)的卓越能力。
與基于反電動(dòng)勢過(guò)零時(shí)序的其他無(wú)傳感器BLDC控制技術(shù)不同,InstaSPIN-BLDC監控電機的磁通量,?#28304;_定何時(shí)換向電機。在自由圖形用戶(hù)界面(GUI)的幫助下(圖3),用戶(hù)在繪圖窗口中確定通量信號,并設置“通量閾值”滑塊以指定電機應換向的通量水平。 TI表示,可以通過(guò)觀(guān)察GUI上顯示的相電壓和電流波形來(lái)驗證最佳換向。
圖3:TI的InstaSPIN-BLDC使用一個(gè)免費的GUI來(lái)啟用設計工程師為快速電機啟動(dòng)設置磁通閾值。
與磁通信號不同,低傳感器BLDC電機在較低速度下產(chǎn)生的低反電動(dòng)勢信號導致較差的信噪比(SNR)性能。該公司聲稱(chēng)InstaSPIN-BLDC可在低速下實(shí)現更平穩的操作,即使在重負載下也能提供更可靠的電機啟動(dòng)。
TI為其InstaSPIN-BLDC提供培訓模塊。該公?#20855;€提供使用DRV8312/32 BLDC電機驅動(dòng)器的三相BLDC電機套件(DRV8312-C2-KIT)和帶有F28035 controlCARD子系統的Piccolo MCU,以運行無(wú)傳感器InstaSPIN-BLDC技術(shù)。該公司發(fā)布了一份應用報告,詳細說(shuō)明了如何設置系統。¹容-源-電-子-網(wǎng)-為你提供技術(shù)支持
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