设计高性能低功耗三相无刷直流电机控制系统

BLDC 电机通过什么驱动?

有几种方法可用于驱动 BLDC电机；一些基本系统要求如下所列：

a.大功率晶体管。这些通常是场效应管 (MOSFET) 或绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，可承受高压(满足电机的要求)。多数家电使用的电机功率为 1/2 至 3/4 马力(1 马力=734 瓦特)。因此，典型电流能力可达到 10A。对于高压系统而言(通常 >350V)，可使用 IGBT。

b.MOSFET/ IGBT 驱动器。通常，可使用一组 MOSFET/ IGBT 驱动器。可选择“半桥”驱动器或三相驱动器。这些解决方案能够操作的电压必须为电机电压的两倍，以应对电机产生的逆电动势 (EMF)。此外，这些装置需要通过设置时间和切换控制提供功率晶体管保护，从而确保底部晶体管打开之前关掉顶部晶体管。

c.反馈元件/控制。设计师应在所有伺服控制系统中设置一些“反馈元件”。例如光学传感器、霍尔效应传感器、转速计及最简单的“EMF 传感”。各种反馈方法都非常有用，主要取决于所需精确度及所需 RPM 和扭矩。许多消费者电器通常使用反电动势传感的无传感器技术。

d.模拟数字转换器 在许多情况下，需要设置模拟数字装置，以将模拟信号转换为数字信号，从而将数字信号发送至系统 MCU。

e.MCU. 所有闭环控制系统(BLDC 电机几乎一直属于此群组)均需要 MCU，以实现伺服回路控制、计算、纠正、PID 控制机传感器管理。这些数字控制器通常为 16 位，但是复杂性较低的应用可使用 8 位控制器。

f.模拟功率/调节器/基准 除了上述组件以外，许多系统还包括辅助电源、电压转换及其他模拟设备，如管理器、LDO、直流/直流及运算放大器。

三相无刷直流电机的基本操作原理

无刷直流(BLDC) 电机为同步电机，转子和线圈绕组中设有永久磁铁。它们可在电机定子上产生电磁(参见图 5)。电气端子直接连接至定子绕组;因此，转子上未连接刷子或机械装置(如有刷电机)。BLDC 电机使用直流电源和开关电路，在定子绕组上产生双向电流。开关电路必须在每个绕组中使用一个高端开关和低端开关，因此一个 BLDC 电机共使用 6 个开关。

现代电机设计采用固态开关，如MOSFET 或 IGBT，这取决于与继电器相比时电机的速率和电压。此外，还必须考虑成本、可靠性和尺寸(参见图 2)。开关电流产生适当的磁场极性，可吸引相反极性，排斥相同极性。从而产生磁力，促使转子旋转。将永久磁铁用于转子可为设计师提供机械利益;并可减小尺寸，降低重量。与有刷电机和感应电机相比，BLDC电机的热特性更优，因而成为掀起机械系统节能新浪潮的理想选择。

BLDC 通常使用三个相位(绕组)，每个相位具有120度的导通间隔(参见图 3)。

由于为双向电流，每个相位按照每个导通间隔有两个步骤。这是一种镀锡六步换向。例如，换向相序可为 AB-AC-BC-BA-CA-CB。每个导电阶段标记一个步骤，任何时候只能由两个绕组导通电流，第三个绕组悬空。未励磁绕组可用作反馈控制，构成无传感器控制算法特征的基础。为了保持在转子之前的定子内部的磁场，并产生最佳扭矩，必须在精确的转子位置完成从一个扇形区到另一个的过渡。通过每 60 度转向的开关电路获得最大扭矩。所有开关控制算法均包含在 MCU 中。微控制器可通过 MOSFET 驱动器控制开关电路。MOSFET 驱动器包含适当响应时间(如维持延迟及上升和下降时间)和驱动能力(包括转换 MOSFET / IGBT “开”或“关”状态所需的门驱动电压和电流同步)。

转子位置对于确定电机绕组换向所需的正确力矩非常重要。在精度要求较高的应用中，可使用霍尔传感器或转速计计算转子的位置速度和转矩。在首要考虑成本的应用中，逆电动势 (EMF) 可用于计算位置、速度和转矩。