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控制无刷直流电机,应对新挑战

时间:2019-03-18 作者:Rudy Ramos,技术内容营销项目经理,贸泽电子 阅读:
无刷直流电机的优势已经不仅仅在于提高可靠性,以及降低与碳刷换相有关的噪音和电气干扰。虽然有刷电机主要是由电压控制,但是无刷直流电机对电子换相的依赖让人们有机会以更高精度管理转子位置、速度和加速度以及电机的输出扭矩、效率和其他参数,从而能够满足特定的应用要求。
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简化版磁场定向电机控制算法适用于经济实惠的嵌入式控制器,这种算法的出现是无刷直流 (BLDC) 电机取得成功的一个重要因素。在越来越多的应用场景下,无刷直流电机都比普通的有刷直流电机和线路供电交流电机更受欢迎。无刷直流电机的应用非常广泛,包括工业执行器和机床、机器人、计算机外设、医疗设备(如呼吸机和分析仪)、汽车驱动器、鼓风机和泵以及家用电器等等,几乎无处不在。Y21EETC-电子工程专辑

无刷直流电机的优势已经不仅仅在于提高可靠性,以及降低与碳刷换相有关的噪音和电气干扰。虽然有刷电机主要是由电压控制,但是无刷直流电机对电子换相的依赖让人们有机会以更高精度管理转子位置、速度和加速度以及电机的输出扭矩、效率和其他参数,从而能够满足特定的应用要求。Y21EETC-电子工程专辑

无刷直流电机控制策略

要控制无刷直流电机,首先要知道转子位置。控制器利用此信息来协调与磁场相关的转子线圈的供电,以确保电机提供所需的响应,包括保持速度、加速、减速、改变方向、减小或增加扭矩、紧急停止或其他响应,具体取决于应用和操作条件。Y21EETC-电子工程专辑

转子位置可直接使用位于转子轴上的传感器或编码器进行检测。编码器类型丰富,大致分为相对位置和绝对位置两种。同时还有各种类型的传感技术,如磁线圈旋转变压器、霍尔效应,光学或电容传感器。根据分辨率、耐久性或成本等要求,这些类型的任何一种技术都可能适用于给定的用例。Y21EETC-电子工程专辑

无传感器控制是一种可行的替代方法,它利用目前微控制器的计算能力,通过测量每个转子绕组中的反电动势 (EMF) 来计算转子位置。无需编码器可以节省材料成本,简化装配,并提高可靠性。磁场定向控制 (FOC) 将转子电流分解为直轴 (d) 分量和交轴 (q) 分量,因为直流值变化缓慢,可以简化控制难题,结合这种控制方法,无需传感器即可检测转子位置。这种检测方式非常适合成本和可靠性比最终精度更重要的应用,比如家用电器和汽车车窗、后视镜或座椅控制等等。Y21EETC-电子工程专辑

另一方面,如果生成的反电动势很小,无传感器控制在转子速度较低时效果较差。Y21EETC-电子工程专辑

控制器和电源模块选择

为了控制无刷直流电机转子相位中的电流,微控制器首先将应用命令转换为每个线圈的脉宽调制 (PWM) 开关信号。这些信号被输入到最终控制电源开关的栅极驱动器 - 通常是金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET),它将电流输送到转子线圈。需要低电流的超小型电机可以使用包含内置栅极驱动器和小功率MOSFET的全集成电机控制MCU进行管理。另一方面,更大、更高功率的电机则需要专用的外部驱动器和MOSFET。Y21EETC-电子工程专辑

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图1:可以控制采用H桥配置的MOSFET来逆转通过电机线圈的电流方向,从而实现双向旋转。Y21EETC-电子工程专辑

power:电源Y21EETC-电子工程专辑

transistor:晶体管Y21EETC-电子工程专辑

motor:电机Y21EETC-电子工程专辑

功率MOSFET最常见的连接方式是电机和双极电源之间的H桥或全桥配置,如图1所示。位于对角位置的上下MOSFET被作为一对进行控制:即晶体管1与晶体管2配对,晶体管3与晶体管4配对。这使得线圈可以改变电流方向,从而驱动电机前进或后退。在这种配置下,电机可能不接地,这通常要求使用脉冲变压器或光耦将MOSFET驱动器与微控制器进行电气隔离。Y21EETC-电子工程专辑

为了选择最适合搭建H桥的MOSFET,设计师必须考虑所需的电压和电流额定值、开关速度,以及开关和传导损耗等因素。而栅极驱动器也必须能够快速对MOSFET的栅极电容进行充电和放电,以确保能够快速切换到应用所要求的最大频率。Y21EETC-电子工程专辑

市场上有各种各样面向无刷直流电机控制应用的微控制器和专用电机控制器,比如Cypress Semiconductor PSoC 3系列可编程片上系统IC。如图2所示,PSOC 3架构提供了一整套无刷直流电机控制功能。Y21EETC-电子工程专辑

EETC_1903_DC_S3_P2.jpgY21EETC-电子工程专辑
图2:PSoC 3架构具有丰富的无刷直流电机控制功能,同时有多个PWM块以及监控和通信功能。(信息来源:Cypress)Y21EETC-电子工程专辑

Programmable System on Chip:可编程片上系统Y21EETC-电子工程专辑

Motor Control:电机控制Y21EETC-电子工程专辑

Lookup Tables(LUTs):查表函数模块子库Y21EETC-电子工程专辑

Fault and Pulse Detect Logic:故障和脉冲检测逻辑Y21EETC-电子工程专辑

Timer:定时器Y21EETC-电子工程专辑

SIO COMP:串行输入/输出 比较器Y21EETC-电子工程专辑

Motor Terminal:电机终端Y21EETC-电子工程专辑

Low-Side Shunt:低侧分流Y21EETC-电子工程专辑

H-Bridge:H-桥Y21EETC-电子工程专辑

H-bridge Driver:,H-桥驱动器Y21EETC-电子工程专辑

Multiple Motors:多电机Y21EETC-电子工程专辑

Amplifier/comparator:放大器/比较器Y21EETC-电子工程专辑

Filters:滤波器Y21EETC-电子工程专辑

User Interface:用户界面Y21EETC-电子工程专辑

Communication:通信Y21EETC-电子工程专辑

Digital Functions:数字功能Y21EETC-电子工程专辑

Memory:存储器Y21EETC-电子工程专辑

System:系统Y21EETC-电子工程专辑

用PSOC3设备打造电机控制器使开发人员能够获得多功能的片上资源,从而提高灵活性和集成度。多达四个片上PWMS使单个PSOC3能够同时控制四个电机,或者在多路复用的基础上控制多达八个电机。内置的电流监测功能可帮助系统检测转动阻力并做出适当的响应,以及检测短路或烧坏情况。另外还提供脉冲检测,用于轻松监控转子位置和速度,并允许记忆和预设位置。Y21EETC-电子工程专辑

集成的电源模块

PSoC 3包含控制无刷直流电机所需的大部分功能元件,除了H桥和驱动器。为了实现驱动器,图3所示的Microchip MCP8024三相无刷直流电源模块提供了一种方便的解决方案,可以取代分立电路,将PSoC3生成的脉宽调制信号传递到MOSFET H桥。Y21EETC-电子工程专辑

EETC_1903_DC_S3_P3.jpgY21EETC-电子工程专辑
图3:MPC8024是高度集成的电源模块,设计用于控制外部MOSFET的栅极,从而控制向无刷直流电机的供电。(信息来源:Microchip Technology)Y21EETC-电子工程专辑

COMMUNICATION PORT:通讯端口Y21EETC-电子工程专辑

BIAS GENERATOR:偏压产生器Y21EETC-电子工程专辑

MCP8024集成了一些重要的功能,比如三个额定电压和电流高达12V和0.5A的半桥驱动器(具有针对高侧和低侧MOSFET的击穿保护和独立输入控制)和一个用于为配套微控制器供电的降压转换器。另外还有三个用于相电流监控和转子位置检测的运算放大器,一个过电流比较器,两个电平转换器,以及5V和12V 20mA的LDO稳压器。更多的内置保护功能包括欠压和过电压锁定、短路保护和过热关机。这些类型广泛的功能集成到一个紧凑型40引脚5mm x 5mm QFN或48引脚7mm x 7mm TQFP封装内。Y21EETC-电子工程专辑

结论

无刷直流电机已迅速成长为首选电机类型,应用范围包括对成本敏感的大众消费市场(如消费品、汽车驱动器和执行器以及家用电器)和高端工业与医疗设备市场。由于其高可靠性、多功能性、低噪音和电气干扰以及易于使用等特性,利用可在低成本微控制器或可编程片上系统 (SOC) 上实施的轻量磁场定向控制策略即可对其进行控制,用不用转子位置传感器皆可。PSoC 3控制器与合适的电源模块和电源开关相结合,可以同时管理多个电机,并集成先进电机管理和监控功能电路。Y21EETC-电子工程专辑

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