BLDC電機的結(jié)構(gòu)和控制及其三種換向方法

第第頁BLDC電機的結(jié)構(gòu)和控制及其三種換向方法三相永磁無刷直流（以下簡稱“（BLDC）”）（電機控制）需要一個（電子）換向電路，而傳統(tǒng)的有刷直流（電機）是采用（機械）自換向的方式。與有刷直流電機不同，BLDC電機沒有電刷，無需定期維護或更換，因而不易受到磨損。

本文將簡要介紹BLDC電機的結(jié)構(gòu)和控制，然后介紹三種換向方法：

梯形換向

磁場定向控制

直接扭矩和磁通控制

最后將介紹一種創(chuàng)新的BLDC換向方法，可以以單個電機控制（集成電路）(（IC）)實施三種換向方法中的任何一種。

BLDC結(jié)構(gòu)

BLDC電機是一種旋轉(zhuǎn)式的電機，定子上有三相電樞繞組，轉(zhuǎn)子上有永磁體，與有刷直流電機的定子包含永磁體相反。BLDC轉(zhuǎn)子上的永磁體提供了一個恒定的磁場，使其成為一個高效率、高扭矩、低轉(zhuǎn)動慣量的電機。三相BLDC電機控制設計，可以采用分立元件或集成的（功率模塊）專用控制IC實現(xiàn)。集成的解決方案可以通過減少（PCB）面積和制造步驟來降低整體系統(tǒng)成本，提高可靠性，最少化物料單(BOM)元件，降低庫存成本，并促進新逆變器設計方案快速重用迭代。

BLDC控制

一個含三相全橋的功率級和一個（控制器）構(gòu)成一個典型的三相BLDC（電機驅(qū)動器）。它們提供基于三個霍爾效應（傳感器）的三相脈寬調(diào)制（PWM）（信號）--或者一個（編碼器），為有傳感器工作提供位置反饋，或為無傳感器工作提供反電動勢信號感測。BLDC電機的定子繞組產(chǎn)生梯形反電動勢波形。

電子換向（控制電路）使用六步梯形和磁場定向控制（FOC）（也稱為矢量控制的換向方法）確定BLDC電機的位置和速度?；魻栃獋鞲衅骱头措妱觿輦鞲卸继峁┝艘环N經(jīng)濟高效的轉(zhuǎn)子位置感測方法。

圖1

BLDC體現(xiàn)霍爾傳感器位置

梯形換向

6步梯形換向法因其控制算法簡單很受歡迎，這種方法在每個電機相上使用兩個功率開關器件，遵循預先確定的序列。三個霍爾效應傳感器提供轉(zhuǎn)子位置信息，對控制電機速度非常有效。六個步驟的開關序列被確定為在電機旋轉(zhuǎn)時實施兩個連續(xù)的電機相位（間隔60°）。

圖2

6步梯形控制波形

磁場定向控制

更適合高端應用的有傳感器或無傳感器FOC，是一種更復雜的換向方法，具有更高的處理要求。基于電機（電流）反饋計算出的電壓和電流矢量對電機換向，實現(xiàn)速度和扭矩的精確動態(tài)控制，從而在寬工作范圍內(nèi)保持高效率。

直接扭矩和磁通量控制

D（TF）C是（安森美）(onsemi)和ThetaPowerSolu（ti）ons,Intl(TPSI)共同合作開發(fā)的一種新穎獨特的、更高效的無傳感器BLDC電機換向方法。該方法使低速重載運行的BLDC電機的磁通弱化，以提高高速能力并具有最小的扭矩紋波，非常適合制動（算法），以對高慣性負載提供受控減速。

3合1的控制選擇

安森美的ecoSpin系列可配置電機控制器可選用三種BLDC控制方法中的任何一種。ECS640A是個系統(tǒng)級封裝（SiP）方案，集成了一個（Arm）Cortex-M0+（微控制器）、三個（檢測）（放大器）、一個參考放大器、三個自舉（二極管）和一個為高速運行而設計的（高壓）（柵極驅(qū)動）器。它驅(qū)動工作電壓高達600V的（MOSFET）和（IGBT）（FAN73896），并有六個柵極驅(qū)動器輸出，可向外部功率器件提供350mA/650mA（典型值）的柵極灌電流/拉電流，還集成霍爾傳感器，支持有傳感器或無傳感器工作。小尺寸和靈活的集成度使該器件非常適合與分立功率器件一起使用，以最大化擴展性。

電機控制系統(tǒng)設計人員會喜歡這種集成的解決方案，它使系統(tǒng)易于快速設置，不會因旋轉(zhuǎn)電機的細節(jié)疏漏而出錯，易于使用的圖形用戶界面簡化了代碼開發(fā)，加快（產(chǎn)品）面市。

靈活度和集成度

BLDC電機越來越受歡迎，要充分發(fā)揮其優(yōu)勢，需要采用最合適的換向方法。選擇BLDC電機控制器IC，提供最多換向選擇和高集成度的IC是有意義的。安森美的ECS640A電