如何控制無刷直流電機

無刷直流（BLDC）電機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)設(shè)備和汽車等領(lǐng)域。相對于傳統(tǒng)有刷電機，雖然無刷直流電機能夠提供更可靠和免維護(hù)的替代方案，但卻需要更復(fù)雜的電子設(shè)備來進(jìn)行驅(qū)動。本文將探討驅(qū)動無刷直流電機的多種不同技術(shù)、傳感器方案以及使用的流行算法。此外，還將介紹一些來自領(lǐng)先供應(yīng)商的電機驅(qū)動器IC以及合適的開發(fā)和原型設(shè)計資源。

無刷電機應(yīng)用

在過去十年中，無刷直流電機已經(jīng)變得非常流行，它的應(yīng)用可能比Wi-Fi更加普遍，無論在家里、辦公室，還是在汽車等周圍場景中，您可能都會驚訝地發(fā)現(xiàn)這些無刷直流電機。Allied Market Research估計，到2030年，全球無刷直流電機市場將從2020年的332億美元增至722億美元（參見圖1），其《2030年無刷直流電機市場研究》報告預(yù)測，所有額定功率電機的復(fù)合年增長率為10.3%，其中750～3000W類別的無刷直流電機復(fù)合年增速最為顯著。

圖1：Allied Market Research（AMR） 發(fā)布的2020～2030年無刷直流電機市場增長趨勢。（來源：AMR，https://www.alliedmarketresearch.com/brushless-dc-motors-market，已獲請求許可）

無刷直流電機適用于多種不同應(yīng)用，包括電池供電的電動工具、家用吸塵器、無線遙控?zé)o人機和電動汽車，以及從傳送帶到生產(chǎn)機器人等數(shù)百種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

無刷直流電機由于其低維護(hù)特性而受到歡迎，它們的能效也很高，通常高達(dá)92%，比同等尺寸的有刷電機高出至少10%至15%。此外，由于沒有任何電刷摩擦，BLDC能夠以更高的速度運行。去除電刷也有助于實現(xiàn)更緊湊的尺寸，具有較低的可聽噪聲，并可顯著降低EMI。這些特性使它們成為電動汽車的理想動力傳動部件，因為在電動汽車中，高扭矩和高速性能至關(guān)重要。

然而，BLDC所具有的優(yōu)勢也需要與其較高的成本和復(fù)雜的驅(qū)動要求一同考慮。圖2比較了流行的不同種類電機配置，顯示了它們的優(yōu)缺點。盡管無刷直流電機操作和定子繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)略有不同，但它們與永磁同步電機（PMSM）很相似。

圖2：用以說明流行直流電機主要優(yōu)缺點的產(chǎn)品類型。（來源：Qorvo）

無刷直流電機如何工作？

在探討B(tài)LDC和PMSM如何工作之前，讓我們簡要介紹一些基本的電機術(shù)語：

繞組：繞組是指放置在定子或轉(zhuǎn)子上的銅線線圈，它們起著電磁鐵的作用，可根據(jù)電流的方向產(chǎn)生磁場。圖2中無刷直流電機的三個繞組可以串聯(lián)連接構(gòu)建單相電機，也可以單獨連接構(gòu)建三相無刷直流電機。

轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子是指電機的旋轉(zhuǎn)部件。轉(zhuǎn)子周圍的繞組通過有刷電機電刷接收能量。在無刷電機中繞組是在定子上，永磁鐵圍繞著轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子和定子之間存在微小氣隙。

定子：定子是外殼電機的非旋轉(zhuǎn)部分。圖2中顯示了有刷電機的定子磁極。如果與BLDC比較，BLDC中的定子包含非旋轉(zhuǎn)繞組。

換向：通過改變繞組中電流方向以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。

反電動勢：反電動勢是繞組在通過磁場時產(chǎn)生的電能。在無刷直流電機情況下，反電動勢來自轉(zhuǎn)子的永久磁鐵，它可用于感應(yīng)轉(zhuǎn)子相對于定子繞組的位置，從而驅(qū)動換向過程。

永磁同步電機和無刷直流電機之間的區(qū)別主要在于其定子繞組的形狀，以及由此產(chǎn)生的反電動勢波形特性（參見圖3）。

圖3：BDLC和PMSM電機產(chǎn)生的反電動勢波形比較。（來源：Qorvo）

電機驅(qū)動算法和傳感器

實現(xiàn)無刷直流電機或永磁同步電機的旋轉(zhuǎn)需要通過對施加到定子繞組的驅(qū)動信號進(jìn)行換向?；诎雽?dǎo)體器件的電機驅(qū)動控制器（通常稱為驅(qū)動器）產(chǎn)生波形，波形的數(shù)量和形狀取決于電機類型和相數(shù)。如圖3所示，與永磁同步電機采用的具有磁場定向控制（FOC）正弦方法相比，無刷直流電機適合梯形驅(qū)動波形。在三相PMSM中，換向利用三個正弦波波形，相位彼此相差120度。BLDC電機也可以使用正弦波形來驅(qū)動。

無論是使用FOC還是梯形驅(qū)動器，有效的轉(zhuǎn)子控制都需要精確地知道轉(zhuǎn)子相對于定子繞組的位置，這能夠為電機驅(qū)動提供重要的反饋，以便更好地控制電機速度和扭矩。位置信息決定驅(qū)動信號的順序、時間和頻率。

確定轉(zhuǎn)子位置的方法有兩種：傳感器或無傳感器。

傳感器：霍爾效應(yīng)傳感器可布置在每個定子繞組旁邊（參見圖2中的藍(lán)色小方塊），在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時可檢測磁場極性的變化（N到S，S到N）。每個三相電機需要三個傳感器。

無傳感器：無傳感器方法使用反電動勢來確定轉(zhuǎn)子位置，而不是使用傳感器。

兩種感測方法各有利弊。使用霍爾效應(yīng)傳感器會涉及額外的零部件成本和更多的組裝時間，但采用傳感器感測的BLDC/PMSM電機可提供優(yōu)異的扭矩、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動和更高效率。永磁同步電機的驅(qū)動控制器往往更復(fù)雜，采用FOC需要使用傳感器。

無傳感器方法在無刷直流電機中很普遍，會使電機達(dá)到比較誘人的低價格，但要求算法根據(jù)定子繞組中感應(yīng)的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子位置。無傳感器BLDC電機的一個很大挑戰(zhàn)出現(xiàn)在啟動時，由于沒有任何運動，就沒有反電動勢，所以計算轉(zhuǎn)子的位置必須用另一種方法。通常，高頻驅(qū)動信號被饋送到每個相繞組，通過特定算法相應(yīng)地計算位置。

圖4：一個三相BLDC電機簡化圖，其中使用霍爾效應(yīng)傳感器創(chuàng)建換向過程，并對逆變器操作進(jìn)行排序。（來源：Qorvo）

圖4突出顯示了使用霍爾效應(yīng)傳感器（HSW、HSV和HSU）的一個簡單三相BLDC電機配置。傳感器基本上是數(shù)字開關(guān)，指示檢測到的磁場極性，N等于“1”，S等于“0”。三個傳感器的輸出組合在一起，給出一個3位數(shù)字邏輯“操作碼(opcode)”，在它變化時指示轉(zhuǎn)子的位置和方向，這些信息是三相功率晶體管逆變器級提供驅(qū)動信號的基礎(chǔ)。對于功率相對較低的BLDC應(yīng)用，傳感器接口、電機控制器和驅(qū)動晶體管通常集成在單個控制器IC中。而高功率電機則通常采用來自控制器IC的柵極驅(qū)動輸出，并采用配備有散熱器的功率MOSFET來實現(xiàn)所需的驅(qū)動電流。

為了改變電機的速度，可通過脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)來改變占空比（duty cycle），即脈沖開/關(guān)的比率。這種方法可以限制啟動電流，因而在電機啟動期間采用也可提供很大優(yōu)勢。

BLDC電機驅(qū)動IC和開發(fā)資源

圖5所示為一個低功率無傳感器三相BLDC電機驅(qū)動器TI DRV10963的功能框圖，該IC包含三個功率MOSFET，適合于最高5V/0.5A的BLDC電機，可用于驅(qū)動筆記本電腦和高性能處理器上使用的冷卻風(fēng)扇。DRV10963具有短路和過流保護(hù)功能，通過多路復(fù)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）監(jiān)測每個MOSFET的電流和電壓。PWM輸入可以用來控制并達(dá)到期望的電機速度。“FR”輸入允許在啟動時改變電機方向，“FG”輸出提供電機速度信息。

圖5：TI DRV10963 5V三相無傳感器BLDC電機驅(qū)動器功能框圖。（來源：TI）

Microchip可提供全面的單芯片BLDC電機驅(qū)動器和柵極驅(qū)動器IC系列，MCP8063就是其中一例，它是一種三相無刷正弦無傳感器電機驅(qū)動器，專為汽車?yán)鋮s風(fēng)扇和多種泵應(yīng)用而設(shè)計。

Qorvo PAC5532電源控制器適用于廣泛的高速消費產(chǎn)品、工業(yè)和汽車中的電機控制等應(yīng)用，包括電池供電電動工具、電動自行車和輕型混合動力汽車等。PAC5532適用于48～120VDC系統(tǒng)，集成有150MHz Arm Cortex-M4F 32位內(nèi)核，具有全面且可配置的電源管理和驅(qū)動功能（參見圖6）。

圖6：電池供電電機控制應(yīng)用中Qorvo PAC5532的簡化配置框圖。（來源：Qorvo）

Qorvo PAC5532EVK1評估套件可為PAC5532提供補充支持。

圖7（來源：Qorvo）列出了評估套件的主要組件，包括PAC5532和三相半H橋（half H-bridge）逆變器組件?；贕UI的軟件開發(fā)工具包可從Qorvo網(wǎng)站下載。

另一款電機控制IC是高性能Renesas RA6T2微控制器系列。該IC基于240MHz Arm Cortex-M33微控制器內(nèi)核，包括一個基于硬件的加速器，用于加速復(fù)雜的電機控制算法和運行安全加密功能。它還集成了一組非常齊全的模擬功能，包括一個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、一個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、可編程增益放大器和高速比較器（參見圖8）。

圖8：基于Renesas RA6T2微控制器的電機控制器功能框圖。（來源：Renesas）

Renesas MCK-RA6T2評估套件可針對無刷電機驅(qū)動器設(shè)計提供一種方便實用的原型制作方法。該套件包括三個連接板：逆變器板、微控制器板和通信板，還包括一個小型無刷直流電機以及所有必需的電纜。MCK-RA6T2的功能架構(gòu)如圖9所示。

圖9：Renesas MCK-RA6T2無刷電機評估套件的功能框圖。（來源：Renesas）

開始BLDC電機控制設(shè)計

在本文中，我們探討了無刷電機如何運行，討論了它們受市場歡迎的主要原因，并著重介紹了一些應(yīng)用案例。上面介紹的領(lǐng)先半導(dǎo)體解決方案為您提供了一種使用方便，有充分文檔支持，且值得信賴的技術(shù)途徑，能夠幫助您開始首個BLDC/PMSM設(shè)計。