2021 年 2 月 10 日

    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

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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。

    Types of Motors Infographic

    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。 
     

    1. 了解 BLDC PMSM 类型的电机

    BLDC 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。

    Trapezoidal vs Sinusoidal Control Infographic

    BLDC 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。
     

    1. 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。
     

    1. 带传感器和不带传感器的 BLDC PMSM 电机

    BLDC 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。

    Motor with Hall Sensors
     

    1. 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 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。
     

    1. 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 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 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 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。

    Block Diagram of Commutation Logic Functionality
     

    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。

     

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    David Schnaufer

    关于作者

    David Schnaufer
    Qorvo 技术市场传播经理

    David 作为 Qorvo 应用工程师的代言人,分享有关射频趋势的技术见解,还提供各种技巧,帮助射频工程师解决复杂设计问题。