如何采用驱动和控制电路增强无刷直流电动机的优势Word文件下载.docx
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无刷直流电动机具有与整流式电动机同样的马力，但是更小、更轻。
由于没有有刷整流器接口，无刷直流电动机具有更低地噪声。
事实上也无需维护。
并且，其具有更长的使用寿命。
去除掉有刷整流器接口要求的控制和驱动电子器件，由其向无刷直流电动机提供电源。
此外，包含运动控制算法的微控制器可以向无刷直流电动机提供理想的性能。
但是，要理解用于驱动无刷直流电动机的电子器件，我们应该首先回顾一下整流式电动机的机电整流。
电刷将连续的电压施加到合适的电动机线圈上。
在运转中，石墨电刷接通一个圆环，在电动机轴上的多段整流器，在恰当的时间提供电压开关动作。
当电动机轴每次旋转完全的360°
时，该开关动作将扭矩最大化。
然而，在无刷直流电动机中，采用霍尔效应传感器的开关器件通常来实现整流（图1和2）。
每一时刻，这些传感器将驱动器件发送到转子的电子位置。
大多数无刷直流电动机生产商提供有三个霍尔效应传感器的电动机，每个传感器以交替的二进制高和低来表示转子线匝。
这三个传感器是有偏移的，所以每一行有盘绕的定子电机形成的电场（再次参见图1）。
当一个线圈没通电时，两个线圈总是通电的。
PWM驱动
通常，无刷直流电动机由线性放大器进行驱动（图4a）。
当在中间范围功率条件下驱动电阻负载时，线性控制电路具有50%的最差条件下的效率。
目前，大部分电动机采用脉冲宽度调制（PWM），其将模拟输入电压转换为可变占空比的驱动信号（图4b）。
从零占空比（在所有时间关闭）开始，占空比增加到电动机开始转动，直到电动机运转在应用要求的速度和/或扭矩下。
PWM控制电路的损耗主要是由于开关MOSFET和回扫二极管的导通电阻，这意味着效率最高是80%到90%。
然而，在高速开关频率下，要求打开和关闭MOSFET的能量变得很大。
除了提高效率以外，PWM也可以限制控制速度和转速的启动电流。
优化开关频率依赖于惯性、无刷直流电动机的电感以及应用。
一般情况下，增加开关频率会增加PWM的损耗。
另一方面，降低开关频率会限制系统的带宽，并且会增加纹波电流脉冲，从而导致电流变得有害或者关闭无刷直流电动机的驱动。
直到采用了无刷直流电动机的驱动IC，三相无刷直流电动机的设计师才配置三个分立的门驱动器和六个MOSFET。
目前可以获得的一个集成全保护三相无刷直流电动机驱动IC的例子是SA305。
由ApexMicrotechnology开发的这款IC采用DMOS功率输出器件和CMOS控制逻辑可以提供高达300W的功率2。
它包括过流、短路和温度保护。
而且，如果瞬时电流超过12A，它将关闭。
在三相无刷直流电动机应用中该IC具有三个独立的DMOSFET半桥，在微控制器或DSP控制下用来提供高达10-A峰值的输出电流（再次参见图2）。
在运转中，当电动机转子旋转时，控制器使得高电位驱动一个电动机终端，另一个为低，并且第三个悬空（图3）。
由来自霍尔传感器的反馈确保了这一连串动作的适当同步。
在每一时刻，传感器保持向微控制器报告相对于定子线圈的转子位置。
如果两个半桥的上半部分和下半部分同时变化，贯通就会发生。
由于它可能使电路过载，并且会损坏MOSFET，所以必须避免贯通的发生。
为了避免贯通，SA305插入了停止时间，以便在电源加载到导通的MOSFET上时，MOSFET可以完全整流到下一个状态。
SA305也提供无效状态指示，并监视三个电动机状态中的每个状态。
微控制器或其他智能逻辑器件可以实际控制所有的无刷直流电动机。
例如，Microchip公司的PIC18F2331包含了可编程的14-bit功率控制PWM模块，插入停止时间来避免贯通（图5）。
当选择电动机、无刷直流电动机或相反时，尽管你可以求助于许多的消息来源，但是参考1是一个好的起点。
它指出如何针对效率、扭矩、功耗、可靠性和成本来选择电动机。
无刷直流电动机的行为
无刷直流电动机关键的工作条件之一是其在休眠状态，然后接通电源。
那时，转子是静止的，并且没有反电磁场（VBEMF），表达式为：
VBEMF=（Kb）（Speed）
（1）
在这里，Kb=电压常数（V/1000rpm），并且速度=每分钟数千转。
一旦电压加到电动机上，转子开始旋转并且按公式1产生VBEMF。
如果我们暂时忽略我们要用PWM源来驱动电动机，而是假由不变的电压来驱动电动机，那么电流的值是：
I=[（V—VEMF）/Rm][1_e-Rmt/Lm]
（2）
在这里，V=采用的电压；
VEMF=反电磁场；
Rm=定子（线圈对）电阻；
Lm=定子（线圈对）电感。
在公式2中，在任意时刻电流（I）都是反电磁场（VEMF）和时间常数（Lm/Rm）的函数。
图6a中，显示了当电动机停止（VBMF=0）时，对任何L-R电路中的电流具有常见的波形，其上升时间由时间常数L/R来决定。
现在，以PWM源来代替不变的电压（图6右侧）。
直到第一个导通脉冲结束时，该电流一直上升。
在第一个加载电压的脉冲末尾，当电压突然下降到零时，电流开始向零衰减。
然而，新一个脉冲将再次驱动电流上升，同样地，电流持续增加。
当电动机加速时，电流波形表现为锯齿波图形，被称为纹波。
因为扭矩与电流成正比，连续增加的电流脉冲驱动电动机，产生的扭矩使电动机加速。
图6表示了纹波电流脉冲。
施加的电压、开关的频率以及PWM占空比是三个关键的参数，可以被独立编程。
选择的这些变量决定了电动机将加速到多么快，与其速度和扭矩一样。
设计实例
作为一个实例，选择在5000rpm下提供55oz-in.扭矩的低惯性、无刷直流电动机，例如GalilMotionControl公司的BLM-N23-50-1000-B。
对于该电动机，任何定子线圈对显示出1.2Ω电阻（Rm）和2.6mH的电感（Lm）。
电动机的扭矩常数（Kt）是12.1oz-in./A，并且电压常数Kb是8.9V/1000rpm。
第一步是确保不超过SA305的最大12A的电流能力，超过该电流会引起IC和驱动电流关闭。
不管其它参数，如果V/R<
12A，电流可能从未达到这个值。
这可以参见图6的内容，图中第一个及其以后的脉冲都接近V/R的值。
考察它的另一种方式是在任何L-R电路中的电流从来没能超过V/R。
所以，所施加的电压，包括任何瞬时纹波，都从未关闭SA305。
如果V/R>
12A，那么在我们设计中有几个因素必须考虑，这包括1.2Ω的Rm值。
如果我们假设有60-V的驱动电压，那么V/R=60/1.2=50A。
当我们在电动机上施加初始电压时，电流像公式2中解释的一样，呈斜坡增加。
由于反电磁场的出现，电流逐渐减少（图7）。
由于反电磁场的存在，在通常的运作中，我们可能从未发现最大电流。
电动机的扭矩常数和惯性负载将控制电动机所能达到的速率。
如果电动机相对于机械时间常数而言，有非常低的L/R时间常数，在电动机产生任何反电磁场之前，电流可以达到最大值。
请看这个例子，在图7中的仿真表明电流从未超过8A——远低于12A。
如果电流超过驱动电路的限制，增加外部的串联电阻或电感可以分别限制峰值电流和di/dt，但是其中的每一个都会对系统性能产生不利影响。
如果我们采用PWM驱动通过限制每个脉冲的占空比来控制启动电流，以便不超过驱动电路的最大峰值电流，我们就可以安全地加速电动机。
SA305的电流监视特性使得这种类型的反馈相对易于实现。
通过采用微控制器并监视所有三种状态的瞬时电流，我们可以实现一种用于启动的闭环算法，该算法可以保持峰值电流接近12A但不会超过。
事实上，少量的余度是有一定道理的，所以将电动机电流设计为11A。
这种方法的优点是其优化了增加过程，保持电流尽可能的高，以便加速度尽可能的高。
在这种方法中，基于在三种状态下检测到的电流调制占空比（再次参见图2）。
参考文献3、4和5提供了更多的关于采用微控制器来驱动无刷直流电动机的信息。
作者：
SamRobinson，高级应用工程师，ApexMicrotechnology公司
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