无传感器bldc 无刷直流（BLDC）电机控制解决方案

发布时间：2024-10-07 08:10:10

无刷直流（BLDC）电机控制解决方案

无刷直流（BLDC）电机正迅速成为要求高可靠性，高效率和高功率体积比的应用的自然选择。 这些电机在很宽的速度范围内提供大量的扭矩，并且与有刷电机具有相似的扭矩和速度性能曲线特性（尽管有刷电机可提供更大的静止扭矩）。

BLDC电机由于消除了传统直流电机换向时使用的电刷而具有显着的可靠性。 刷子磨损，降低了电机的性能，最终必须更换。相反，在额定参数范围内运行时，BLDC电机的预期寿命可超过10，000小时或更长。与传统装置相比，这种寿命以及随后的维护和备件成本的降低可以抵消电机的较高初始成本。

BLDC电机正在进入最具成本意识的应用领域。例如，在汽车领域，BLDC电机的使用正在飙升。 汽车制造商尤其被电机在机械工作中转换电能的效率所吸引，这有助于降低对车辆电力系统的需求（图1）。根据分析师IMS的研究，到2018年，6亿只BLDC电机将用于内燃机驱动的轻型车辆，

BLDC电机的这种兴趣促使芯片供应商为该单元的电子控制系统开发定制的单片芯片。本文将详细介绍BLDC电机控制芯片 - 用于驱动逆变桥的设备，最终激活电机线圈并控制速度和方向等参数。

减少霍尔传感器故障

飞兆半导体公司拥有BLDC电机控制的悠久历史，最近推出的FCM8201芯片仍在继续。该器件专为感应BLDC电机控制而设计。（传感电机需要霍尔效应传感器来指示线圈位置以辅助电子换向序列）。

FCM8201的关键技术进步是它可以选择脉冲宽度调制（PWM）模式。有两种PWM模式可供选择：正弦波模式和方波模式。方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技术，可提高电机驱动效率。

Fairchild解释说，该器件还内置霍尔信号调节电路，可为每个传感器信号输入产生3至6μs的“去抖”时间。该电路减少了霍尔传感器信号转换缓慢时可能出现的毛刺 - 以及随后的错误。

FCM8201可以在没有外部微控制器（MCU）的独立配置中使用，或者如果设计人员想要添加比标准设备支持更多的电机控制功能，则可以通过串行外设接口连接外部MCU（ SPI）接口。图2显示了FCM8201的典型独立应用电路。只需几个外围元件即可完成BLDC电机控制电路。

使用电机磁通进行无传感器控制

无传感器BLDC电机取消霍尔传感器，而是依靠电机转动时产生的反电动势的大小来估算线圈位置并确定正确的换向顺序。

无传感器控制是一种流行的技术，因为它简化了电机的机械设计，但一个缺点是电机静止时不会产生反电动势，而电机低速运行时则很少。这使得控制器难以确定线圈的位置。

针对低成本BLDC安装，德州仪器（TI）推出了InstaSPIN-BLDC电机控制技术来解决这一问题。该公司表示，InstaSPIN-BLDC是一种无传感器控制技术，在50多种不同电机类型的现场测试中，能够在不到20秒的时间内启动和运行每台电机。简而言之，TI将InstaSPIN-BLDC描述为在三相BLDC电机上执行无传感器换向的软件方法。据该公司称，它的优势包括电机调试非常快速，即使在低速时也能实现强大的控制，以及超越速度扰动的卓越能力。

与基于反电动势过零时序的其他无传感器BLDC控制技术不同，InstaSPIN-BLDC监控电机的磁通量，以确定何时换向电机。 在自由图形用户界面（GUI）的帮助下（图3），用户在绘图窗口中确定通量信号，并设置“通量阈值”滑块以指定电机应换向的通量水平。TI表示，可以通过观察GUI上显示的相电压和电流波形来验证最佳换向。

图3：TI的InstaSPIN-BLDC使用一个免费的GUI来启用设计工程师为快速电机启动设置磁通阈值。

与磁通信号不同，低传感器BLDC电机在较低速度下产生的低反电动势信号导致较差的信噪比（SNR）性能。该公司声称InstaSPIN-BLDC可在低速下实现更平稳的操作，即使在重负载下也能提供更可靠的电机启动。

TI为其InstaSPIN-BLDC提供培训模块。该公司还提供使用DRV8312/32 BLDC电机驱动器的三相BLDC电机套件（DRV8312-C2-KIT）和带有F28035 controlCARD子系统的Piccolo MCU，以运行无传感器InstaSPIN-BLDC技术。该公司发布了一份应用报告，详细说明了如何设置系统。

设计的灵活性

一些制造商提供没有集成处理器的驱动芯片，以便熟悉特定MCU的设计人员使用该设备进行监督电路。或者，与上述Fairchild芯片的情况一样，一些供应商允许设计人员通过添加更强大的外部MCU来覆盖内部处理器。

传感器和无传感器BLDC电机的优势在于它们越来越多地应用于以前由传统电机主导的应用。虽然比后者更昂贵，但这种前期费用可以抵消较低的维护成本和BLDC电机的较长寿命。

希望利用这些轻巧，紧凑，功能强大的电机的设计人员会发现，通过引入主要芯片供应商的芯片和设计工具，控制系统设计变得更加容易。还有一些选项可以让设计师在设计中获得更大的灵活性，从而增加将最终产品与竞争对手区分开来的机会。

无刷直流电机（BLDC）详解

1.2 无刷直流电机的工作原理

1.2.1 无刷直流电机的特点

直流电机主要有直流有刷电机和无刷直流电机两种。

1．有刷直流电机

直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称，其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器，使得驱动方法简单，其模型示意图如图 1.2 所示。

电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子（电枢）、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流，电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样，直流电机的转子就会持续运转下去。

由些可见，换向器和电刷在直流电机中扮演着重要的角色，虽然它可以简化电机控制器的结构，但是，它自身却存在一定的缺点：

z 结构相对复杂，增加了制造成本；

z 容易被环境（如灰尘等）影响，降低了工作的可靠性；

z 换向时会产生火花，限制了使用范围；

z 容易损坏，增加了维护成本等。

2．无刷直流电机

无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）的诞生，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。

图 1.3 所示无刷直流电机模型，它是从图 1.2转化过来的模型。它主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器（可有可无）组成。可见，它和直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构差不多（原来的定子变为转子，转子变为定子），绕组的连线也基本相同。但是，结构上它们有一个明显的区别：无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构就相对简单，降低了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不能自动换向（相），牺牲的代价是电机控制器成本的提高（如同样是三相直流电机，有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管，而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管）。

图 1.3 所示为其中一种小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机，它的定子在内，转子在外，结构和图 1.2 所示的直流电机很相似。另一种无刷直流电机的结构和这种刚刚相反，它的定子在外，转子在内，即定子是线圈绕组组成的机座，而转子用永磁材料制造。

无刷直流电机有以下的特点：

z 无刷直流电机的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩；

z 无刷直流电机的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行；

z 无刷直流电机的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现；

z 无刷直流电机的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发

电机状态；

z 无刷直流电机的体积小，功率密度高；

z 无刷直流电机无机械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可靠

性高；

z 无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单。

1.2.2 无刷直流电机的工作原理

无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位置，再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。

如图 1.4 所示为无刷直流电机的转动原理示意图，为了方便描述，电机定子的线圈中心抽头接电机电源 POWER，各相的端点接功率管，位置传感器导通时使功率管的 G极接 12V，功率管导通，对应的相线圈被通电。由于三个位置传感器随着转子的转动，会依次导通，使得对应的相线圈也依次通电，从而定子产生的磁场方向也不断地变化，电机转子也跟着转动起来，这就是无刷直流电机的基本转动原理——检测转子的位置，依次给各相通电，使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。

在下文介绍无刷直流电机的有位置传感器驱动的一节，将会进一步介绍无刷直流电机的转动原理。为了方便理解，本文档以下内容统一用如图 1.5 所示的这两种符号作为模型简介，图 A为电机转子和定子在同一圆心上，图B 为不同一圆心上，是为了方便说明电机内部磁场。详细请看下文。

1.3 无刷直流电机的驱动方法

无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式，它们各有特点。

按驱动波形：

z 方波驱动，这种驱动方式实现方便，易于实现电机无位置传感器控制；

z 正弦驱动，这种驱动方式可以改善电机运行效果，使输出力矩均匀，但实现过程相对复杂。同时，这种方法又有 SPWM 和 SVPWM（空间矢量 PWM）两种方式，SVPWM的效果好于 SPWM。

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无刷直流电机（BLDC）详解

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