无刷直流电机及其驱动：设计考虑因素和挑战

发布日期： 2024-08-06 | 作者：新闻中心

电机最早出现在十八世纪，之后迅速全面普及，根据国际能源署 IEA-4E 组织 EMSA 数据，其消耗了全球生产能源的一半以上，数据来源：。国际能源署（IEA) 也表示，通常 95% 的电机生命周期成本，来自为其提供动力的电力，因此任何可提升电机运行效率的技术方法都会受市场欢迎。

“智能” 控制就能做到这一点，它不仅使电机在工作中灵活性更好、高效，还能降低运行成本和能源消耗，减少环境影响或延长电池寿命。

此外还通过立法促使解决这一个问题。例如，IEC 60034-30-1 规定了由电网侧供电的交流电机应达到的能效等级。

以一个典型的西方富裕家庭为例，Qorvo估计这个家里可能有 14 台有刷直流电机、26 台无刷直流电机、48 台交流感应电机和 4 台通用交流-直流电机。总共有 31 个电池供电和 61 个电网供电。

正常情况下，它们成本低，没有电刷磨损，速度有一些 “转速差”，也就是说，它们几乎与交流驱动同频或是其的倍频。

单相电机需要特殊的启动方法，效率不高，但用途广泛，而三相电机支持自启动，运行效率更加高，使交流感应电机很适合泵和风扇等恒定负载/速度应用。

如果需要变速，能够正常的使用变频驱动 (VFD)，但在 “标准” 电机中添加变频驱动功能时，有极大几率会出现绝缘应力、EMI 和共模电流流过电机本体等问题。

对于直流或通用交流转直流电源，电机旋转时，其电刷通过依次给线圈通电来强制换向和旋转。这些电机成本低，性能优，启动转矩大，因此在小型工具和电器中很受欢迎。

然而，电刷确实会磨损，而且通常产生高压电弧和可听噪音。通过改变直流或交流电源电压，或通过交流相位角控制来实现具有可选闭环调节的速度控制，这些通常效率较差，但为励磁线圈分接开关提供了可能。

目前常用的电机类型是无刷直流电机(BLDC)，是基于有刷直流电机改进而来，可以去除电刷。

缺点是必须由 VFD（交频驱动）提供多相交流电源，但确实可提供速度和转矩控制，并根据负载要求调整这些参数，从而节省能源、提升工艺效率，以上这些优点可以迅速抵消 VFD 的初始成本。因此，BLDC 电机在电池供电型手持工具以及交流电源 (输入经整流和功率因数校正后作为 VFD 电源）供电的电器中颇受青睐。

现在来观察分析 BLDC 电机及其驱动，图 2 显示了三相电机的线圈通电顺序。

施加电压存在一定的 “死区” 时间，原因主要在于开关的桥式布局（图 3）可以是 IGBT 或 MOSFET，但越来多的使用 SiC FET 这样的宽带隙器件（如图所示）。当电机旋转时，开关管的切换由轴传感器或其它方法触发，转子角度、速度和电流的反馈可用于控制转矩和转矩波动，这会导致不必要的振动。

如果没有反馈，电机将旋转达到系统延迟和线圈电感允许的最大速度，随着转速增加，每一个较短周期的开关动作都会降低峰值电流，从而使转矩减小。

在实现 BLDC 电机控制的过程中涉及许多变量，包括所需的最大和间歇转矩、功率、速度范围、工作电压、反馈传感器类型及其电压等级等等。

这些定义了驱动所需的电压和频率范围，及其峰值和连续额定功率，包括故障和过载。

控制器获取相应的反馈和状态信息，并通过算法根据时序和载波频率调制向开关提供优化的栅极驱动信号，以设定速度和转矩。

三相 BLDC 电机可以将线圈分段控制，任何一个时间里都保持两个线圈通电，第三个线圈 “悬空”。悬空绕组以梯形波形显示反电动势（图 4，左），其过零点可用于确定转子的角度位置，这种方法成本低、精度高，但霍尔效应传感器允许在重载条件下启动，这种响应很难通过传统的无传感器算法获得。

如果将线圈绕在定子周围，反电动势可以是正弦波（图 4，右)，理论上没有转矩波动。

这种布局就是 “永磁同步电机”（PMSM)，要求所有的绕组在任何一个时间里都要通电，因此浮动绕组的位置信息不可用，常常要一个单独的轴传感器。

无论哪种情况，PWM 驱动调制都会设置为分别与梯形或正弦匹配，以获得最佳性能。

六步梯形波控制更容易实现，能够以高转矩启动，并适用于非常高的速度，比如在电动工具中就很有用。

基本形式的 PMSM，其制造成本比较高，启动转矩较低，驱动更复杂，但速度控制更稳定，适合换气风扇等应用。

有些方案从梯形波驱动启动，并随电机旋转切换到正弦驱动，为了获得最佳性能，可将光学编码器或旋转变压器用于 PMSM，以取代霍尔传感器。

为了利用 PMSM 实现更优性能，能够正常的使用 “矢量” 或 “磁场定向控制” (FOC)。

对于使用能耗更低的小型电机，这有助于实现零速满转矩启动、平稳运行、快速加速/ 减速和更好的精度。

传感器能够给大家提供转子位置反馈，或者采用 “无传感器” 方案，通过电机特性模型使用绕组电流和电压。

然而，FOC（磁场定向控制）很复杂，需要较强的数字解决能力，问题就在于启动时无法获取转子位置信息，因此，在传感器提供有效反馈之前，通常会应用开环初始驱动。为了提供出色的性能，FOC 需要从转子位置和绕组电流中得出磁链和转矩值。

通过 “克拉克变换” 方法将三相绕组电流转换为两相等效电流，然后使用 “帕克变换” 和旋转角度计算旋转坐标，从而得出控制参数、磁链和转矩。

该信号通过反向克拉克和帕克变换过程，为桥式驱动电路中的开关产生驱动信号，应用 PWM 以形成正弦电流，其有效值对应于所需转矩。图 5 为该方案示意图。

驱动 BLDC 电机以获得最佳性能的所有复杂性操作，包括磁场定向控制，现在可以在 Qorvo 的 PAC5xxx 系列电源应用控制器（PACTM) 中实现。该单芯片解决方案包括所有在大多数情况下要的控制参数的接口，并提供高达 600V 标称电压且具有高峰值电流的驱动能力，以满足电池供电和电网整流供电的要求。

固件可以远程配置和更新，还包括一个 “自动调试” 模式，可针对特定的电机进行微调操作。