米乐体育平台登入:无刷直流电机及其驱动：规划考虑要素和应战

　　电机最早呈现在十八世纪，之后敏捷全面遍及，依据世界动力署 IEA-4E 安排 EMSA 数据，其耗费了全球出产动力的一半以上，数据来历：。世界动力署（IEA) 也表明，一般 95% 的电机生命周期本钱，来自为其供给动力的电力，因而任何能够进步电机运转功率的技能办法都会受商场欢迎。

　　“智能” 操控就能够做到这一点，它不只使电机在作业中愈加灵敏、高效，还能下降运转本钱和动力耗费，削减环境影响或延伸电池寿数。

　　此外还经过立法促进处理这个问题。例如，IEC 60034-30-1 规则了由电网侧供电的沟通电机应到达的能效等级。

　　以一个典型的西方殷实家庭为例，Qorvo估量这个家里或许有 14 台有刷直流电机、26 台无刷直流电机、48 台沟通感应电机和 4 台通用沟通-直流电机。总共有 31 个电池供电和 61 个电网供电。

　　正常状况下，它们本钱低，没有电刷磨损，速度有一些 “转速差”，也便是说，它们简直与沟通驱动同频或是其的倍频。

　　单相电机需求特别的发动办法，功率不高，但用处广泛，而三相电机支撑自发动，运转功率更高，使沟通感应电机十分合适泵和电扇等安稳负载/速度运用。

　　假如需求变速，能够运用变频驱动 (VFD)，但在 “规范” 电机中添加变频驱动功用时，或许会呈现绝缘应力、EMI 和共模电流流过电机本体等问题。

　　关于直流或通用沟通转直流电源，电机旋转时，其电刷经过顺次给线圈通电来强制换向和旋转。这些电机本钱低，功用优，发动转矩大，因而在小型东西和电器中很受欢迎。

　　但是，电刷的确会磨损，并且一般发生高压电弧和可听噪音。经过改动直流或沟通电源电压，或经过沟通相位角操控来完成具有可选闭环调理的速度操控，这些一般功率较差，但为励磁线圈分接开关供给了或许。

　　现在常用的电机类型是无刷直流电机(BLDC)，是依据有刷直流电机改善而来，能够去除电刷。

　　缺陷是必须由 VFD（交频驱动）供给多相沟通电源，但的确可供给速度和转矩操控，并依据负载要求调整这些参数，然后节省动力、提高工艺功率，以上这些长处能够敏捷抵消 VFD 的初始本钱。因而，BLDC 电机在电池供电型手持东西以及沟通电源 (输入经整流和功率因数校对后作为 VFD 电源）供电的电器中颇受喜爱。

　　现在来调查剖析 BLDC 电机及其驱动，图 2 显现了三相电机的线圈通电次序。

　　施加电压存在必定的 “死区” 时刻，原因在于开关的桥式布局（图 3）能够是 IGBT 或 MOSFET，但越来多的运用 SiC FET 这样的宽带隙器材（如图所示）。当电机旋转时，开关管的切换由轴传感器或其它办法触发，转子视点、速度和电流的反应可用于操控转矩和转矩动摇，这会导致不必要的振荡。

　　假如没有反应，电机将旋转到达体系推迟和线圈电感答应的最大速度，跟着转速添加，每一个较短周期的开关动作都会下降峰值电流，然后使转矩减小。

　　在完成 BLDC 电机操控的进程中触及许多变量，包含所需的最大和间歇转矩、功率、速度规模、作业电压、反应传感器类型及其电压等级等等。

　　这些界说了驱动所需的电压和频率规模，及其峰值和接连额外功率，包含毛病和过载。

　　操控器获取相应的反应和状况信息，并经过算法依据时序和载波频率调制向开关供给优化的栅极驱动信号，以设定速度和转矩。

　　三相 BLDC 电机能够将线圈分段操控，任何时候都坚持两个线圈通电，第三个线圈 “悬空”。悬空绕组以梯形波形显现反电动势（图 4，左），其过零点可用于确认转子的视点方位，这种办法本钱低、精度高，但霍尔效应传感器答应在重载条件下发动，这种呼应很难经过传统的无传感器算法取得。

　　假如将线圈绕在定子周围，反电动势能够是正弦波（图 4，右)，理论上没有转矩动摇。

　　这种布局便是 “永磁同步电机”（PMSM)，要求一切的绕组在任何时候都要通电，因而起浮绕组的方位信息不可用，一般需求一个独自的轴传感器。

　　不管哪种状况，PWM 驱动调制都会设置为别离与梯形或正弦匹配，以取得最佳功用。

　　六步梯形波操控更简单完成，能够以高转矩发动，并适用于十分高的速度，比如在电动东西中就很有用。

　　基本形式的 PMSM，其制作本钱较高，发动转矩较低，驱动更杂乱，但速度操控更安稳，合适换气电扇等运用。

　　有些计划从梯形波驱动发动，并随电机旋转切换到正弦驱动，为了取得最佳功用，可将光学编码器或旋转变压器用于 PMSM，以替代霍尔传感器。

　　为了运用 PMSM 完成更优功用，能够运用 “矢量” 或 “磁场定向操控” (FOC)。

　　关于运用能耗更低的小型电机，这有助于完成零速满转矩发动、平稳运转、快速加快/ 减速和更好的精度。

　　传感器能够供给转子方位反应，或许选用 “无传感器” 计划，经过电机特性模型运用绕组电流和电压。

　　但是，FOC（磁场定向操控）很杂乱，需求较强的数字处理才能，问题在于发动时无法获取转子方位信息，因而，在传感器供给有用反应之前，一般会运用开环初始驱动。为了供给超卓的功用，FOC 需求从转子方位和绕组电流中得出磁链和转矩值。

　　经过 “克拉克改换” 办法将三相绕组电流通换为两相等效电流，然后运用 “帕克改换” 和旋转视点核算旋转坐标，然后得出操控参数、磁链和转矩。

　　该信号经过反向克拉克和帕克改换进程，为桥式驱动电路中的开关发生驱动信号，运用 PWM 以构成正弦电流，其有用值对应于所需转矩。图 5 为该计划示意图。

　　驱动 BLDC 电机以取得最佳功用的一切杂乱性操作，包含磁场定向操控，现在能够在 Qorvo 的 PAC5xxx 系列电源运用操控器（PACTM) 中完成。该单芯片处理计划包含一切或许需求的操控参数的接口，并供给高达 600V 额外电压且具有高峰值电流的驱动才能，以满意电池供电和电网整流供电的要求。

　　固件能够长途装备和更新，还包含一个 “主动调试” 形式，可针对特定的电机进行微调操作。

　　这些计划包含内部开关和线性稳压器，节省了电路板空间和 BOM 本钱。可装备模仿前端 (CAFE）包含单端和差分可编程增益运算扩大器、比较器、数模转换器和 I/O 电路。

　　具有可互连和可编程的信号采样、反应扩大以及多个模仿输入信号的传感器监测功用。

　　低功率等级版别类型 PAC5285 还集成了功率 MOSFET，构成一个驱动桥，为手持设备和东西等 BLDC 运用供给了紧凑型处理计划。

　　一切 PACTM 系列器材都具有全国的维护功用，包含过电流、过电压、欠电压和超温维护。

　　为了展现这些操控器的功用，Qorvo PAC5223 芯片为无人机电机驱动等运用供给了参阅规划，是一个 “微型” FOC 处理计划，尺度只要 9mm x 15mm，输出电流的有用值高达 17A，输入电压为 4.5V-18V。

　　另一个参阅规划 RD5223PT 展现了 PAC5223 怎么用于电动东西，其 PCB 尺度为 60mm x 25mm，能够装配到东西的手柄中。图 7 支撑的峰值电流为 25A RMS/300W。一切参阅规划都供给原理图、布局图和 BOM。

　　图 7. 用于电动东西的 Qorvo BLDC 电机驱动参阅规划，峰值功率为 300W

　　Qorvo 的 PAC 系列芯片是硬件生态体系的一部分，还具有完好的数据手册、参阅软件、可装备图形界面和用户攻略、运用笔记和软件开发套件。

　　在价格灵敏的电动东西、小家电和无人机运用中，由于杂乱的驱动和传感体系阻止 BLDC 电机的运用，而这些电机在尺度、分量、转矩和可控性方面具有强壮的优势。

　　现在，Qorvo 在其 PACTM 器材系列中供给的集成驱动处理计划以低本钱，高功用操控器打破了这一妨碍，再加上全方位的支特，在终端产品中施行将会更轻松方便。