無(wú)刷直流電動(dòng)機 (BLDC)，也稱(chēng)為電子換向電動(dòng)機（ECM、EC 電動(dòng)機）或同步直流電動(dòng)機，是由直流電通過(guò)逆變器或開(kāi)關(guān)電源供電的同步電動(dòng)機，該同步電動(dòng)機會(huì )產(chǎn)生交流電流來(lái)驅動(dòng)各相通過(guò)閉環(huán)控制器控制電機�？刂破飨蚩刂齐姍C速度和扭矩的電機繞組提供電流脈沖。

與有刷電機相比，無(wú)刷電機的優(yōu)勢在于高功率重量比、高速度和電子控制。無(wú)刷電機在計算機外圍設備（磁盤(pán)驅動(dòng)器、打印機）、手持電動(dòng)工具以及從模型飛機到汽車(chē)的車(chē)輛等地方都有應用。

該項目描述了如何使用 GreenPAK? 控制三相無(wú)刷直流電機。

下面我們描述了了解解決方案如何編程以創(chuàng )建直流電機控制所需的步驟。但是，如果您只是想得到編程的結果，XZGreenPAK Designer 軟件查看已經(jīng)完成的GreenPAK Design 文件。將GreenPAK 開(kāi)發(fā)套件插入您的計算機，然后點(diǎn)擊程序來(lái)設計設備。

構造和運行原理

BLDC 電機的結構和操作與交流感應電機和有刷直流電機非常相似。與所有其他電機一樣，BLDC 電機也由轉子和定子組成（圖 1）。

BLDC 電機定子由疊層鋼制成，用于承載繞組。定子中的繞組可以按兩種模式排列 - 星形圖案 (Y) 或三角形圖案 (Δ)。兩種模式之間的主要區別在于 Y 模式在低 RPM 時(shí)提供高扭矩，而 ? 模式在低 RPM 時(shí)提供低扭矩。這是因為在 ? 配置中，一半的電壓施加在未驅動(dòng)的繞組上，從而增加了損耗，進(jìn)而增加了效率和扭矩。BLDC 電機使用電氣循環(huán)進(jìn)行控制。一個(gè)電循環(huán)有 6 個(gè)狀態(tài)�；�于霍爾傳感器的電機換向序列如圖 2 所示。

BLDC 電機運行的基本原理與有刷直流電機相同。對于有刷直流電機，反饋是使用機械換向器和電刷實(shí)現的。在 BLDC 電機中，使用多個(gè)反饋傳感器實(shí)現反饋。Z常用的傳感器是霍爾傳感器和光學(xué)編碼器。

在三相 BLDC 中，齒（極）數是 3 的倍數，磁鐵數是 2 的倍數。 根據磁鐵和齒的數量，每個(gè)電機具有不同數量的齒槽效應（即磁吸力）轉子和定子）每轉步數。要計算步數 (N)，我們需要知道電機中使用了多少個(gè)齒和多少個(gè)磁鐵。該項目中使用的電機有 12 個(gè)齒（極）和 16 個(gè)磁鐵。

因此，要轉動(dòng) 1 圈，我們需要生成 48 個(gè)電步。

設計

該設計有 2 個(gè)輸入來(lái)控制電機速度和方向。PIN#8 控制方向；Pin#8 上的高電平表示電機順時(shí)針旋轉，低電平表示逆時(shí)針旋轉。PIN#2 用于通過(guò)輸入頻率控制速度。此引腳上沒(méi)有頻率信號將關(guān)閉驅動(dòng)器，電機將停止。在前 500 毫秒內向該引腳施加頻率將啟動(dòng)電機。使用輸入頻率使我們能夠非常JQ地控制電機速度。要計算 RPM，我們需要知道電機包含多少個(gè)電步：

此應用中的電機有 48 步，因此在 5kHz 的頻率下，電機將以 6250 RPM 運行。

該設計可分為 4 個(gè)部分（圖 5）：霍爾傳感器的處理塊、柵極驅動(dòng)器塊、PWM 控制或速度控制塊以及保護塊

霍爾傳感器的處理模塊包括 ACMP（ACMP0、ACMP3、ACMP4）、去毛刺濾波器（DLY1、DLY5、DLY6）和 DFF（DFF6、DFF7、DFF8）。本項目中使用的霍爾傳感器有 4 個(gè)引腳；VDD、GND 和 2 個(gè)連接到 ACMP 的 IN  和 IN- 輸入的差分輸出。內部 Vref 組件設置為 1.2 V，用作霍爾傳感器的 VDD。來(lái)自 ACMP 的濾波信號進(jìn)入 DFF 的 D 輸入。輸入頻率為這些 DFF 提供時(shí)鐘并設置旋轉速度。來(lái)自這些 DFF 的信號進(jìn)入柵極驅動(dòng)器和配置為 XNOR 的 3 位 LUT14。結果是每次任何霍爾傳感器改變其極性時(shí)，輸出電平都會(huì )交替變化。兩個(gè)邊沿檢測器都會(huì )生成實(shí)際速度頻率（霍爾頻率），將其與輸入頻率進(jìn)行比較以生成 PWM 信號來(lái)控制旋轉速度。

柵極驅動(dòng)器模塊包括 12 個(gè) 3 位 LUT，可根據霍爾傳感器的反饋對外部晶體管進(jìn)行換向。其中 6 個(gè) LUT（3 位 LUT8 – 3 位 LUT13）用于 CW 方向，另外 6 個(gè)（3 位 LUT1 – 3 位 LUT6）用于切換到 CCW 方向。該模塊還包括 3 個(gè) 2 位 LUT（2 位 LUT4、2 位 LUT5 和 2 位 LUT6），用于將每相 PMOS 晶體管的信號與 PWM 混合，以確保轉速與負載無(wú)關(guān)。

PWM 控制包括 PWM2 組件、計數器 CNT8、有限狀態(tài)機 FSM1、3 位 LUT15、2 個(gè) DFF（DFF0 和 DFF1）、上升沿檢測器 PDLY0 和反相器 INV0。DFF0 和 DFF1 一起用作頻率比較器；當輸入頻率高于霍爾頻率時(shí)，DFF0 nQ 輸出變?yōu)榈碗娖�；當輸入頻率低于霍爾頻率時(shí)，DFF1 nQ 輸出變?yōu)榈碗娖�。在�?”輸入為低電平時(shí)，PWM2 OUT  輸出將生成占空比范圍為 256/256 至 1/256 的 PWM 信號。在“-”輸入為低電平時(shí)，PWM2 OUT  將生成占空比從 1/256 變化到 256/256 的 PWM。PWM 頻率約為 100 kHz，啟動(dòng)時(shí) IC 的占空比設置為 0%。電機停止，直到施加到 PIN2 的輸入頻率。將頻率應用到 PIN2 后，DFF0 nQ 輸出將變低，PWM 會(huì )將占空比從 0 增加到 99.6%。電機將繼續旋轉，直到霍爾傳感器超過(guò)輸入頻率。此時(shí)，DFF0 nQ 輸出將變?yōu)楦唠娖�，�?DFF1 nQ 輸出將變?yōu)榈碗娖�。這種反轉會(huì )導致 PWM 占空比在電機上看到的即時(shí) VDD 和負載處降低到可接受的值。該系統將不斷工作以平衡 PWM 占空比。FSM1、CNT8、3 位 LUT15 和 PWM2 的功能在 這種反轉會(huì )導致 PWM 占空比在立即 VDD 和電機負載處降低到可接受的值。該系統將不斷工作以平衡 PWM 占空比。FSM1、CNT8、3 位 LUT15 和 PWM2 的功能在 這種反轉會(huì )導致 PWM 占空比在電機上看到的即時(shí) VDD 和負載處降低到可接受的值。該系統將不斷工作以平衡 PWM 占空比。FSM1、CNT8、3 位 LUT15 和 PWM2 的功能在應用筆記 AN-1052。

保護塊包括 2 個(gè)延遲（DLY2 和 DLY9）、計數器 CNT0 和配置為 XOR 門(mén)的 2 位 LUT0。這部分設計用于保護電機和外部 FET 不被燒壞。如果電機卡住或無(wú)法啟動(dòng)，霍爾傳感器將無(wú)法提供關(guān)閉電機所需的反饋。如果在 100 毫秒后沒(méi)有收到反饋，DLY2 輸出將變?yōu)榈碗娖讲⑶?2 位 LUT0 關(guān)閉電機。如果發(fā)生這種情況，CNT0 和 DLY9 會(huì )嘗試每 500 毫秒啟動(dòng)YC電機，持續 8 毫秒。這段時(shí)間足以啟動(dòng)電機，但不足以對電機造成損壞。

結論

該項目描述了如何使用SLG46620 GreenPAK IC和霍爾效應傳感器控制三相無(wú)刷直流電機。SLG46620 還包含可用于該項目的其他功能。例如，GreenPAK 中的 ADC 可以解釋輸入直流電壓并根據該值生成 PWM 脈沖，而不是使用輸入頻率。

以前，如果設計人員希望控制 BLDC 電機，他們將受到電氣規格和專(zhuān)用現成 IC 解決方案功能的限制。這迫使設計人員選擇功能固定且可能會(huì )過(guò)度殺傷或昂貴的解決方案，這通常會(huì )限制其系統的 IO。

Dialog GreenPAK 通過(guò)將可配置性重新交到設計人員手中，逆轉了這一設計過(guò)程。通過(guò)將此 GreenPAK 應用程序用作普遍適用（盡管也是WY可配置的）三相 BLDC 電機控制方案，設計人員可以選擇滿(mǎn)足其項目獨特電氣規格的引腳分配和外部 FET。此外，即使考慮到外部 FET，Dialog GreenPAK 解決方案。