高功率無(wú)刷電機必須由PWM控制，并要求微控制器提供啟動(dòng)和控制功能。那您了解PWM 在無(wú)刷直流電機控制中的作用嗎？
當選擇或開(kāi)發(fā)使用脈寬調制（PWM）驅動(dòng)無(wú)刷直流電機的電子設備時(shí)，運動(dòng)控制系統設計人員經(jīng)常會(huì )面臨挑戰。注意一些基本的物理現象，可以避免意外的性能問(wèn)題。本文為PWM驅動(dòng)器與無(wú)刷直流電機配合使用提供了通用指導。
無(wú)刷直流電機的換向
有刷直流電機使用機械換向，無(wú)刷直流電機與此不同，采用電子換向。這意味著(zhù)電機的相位，根據轉子相對于定子的位置依次通電和斷電。對于三相無(wú)刷直流電機，驅動(dòng)器由六個(gè)電子開(kāi)關(guān)（通常為晶體管）組成，通常稱(chēng)為三相H 橋（圖1）。此配置允許三個(gè)雙向輸出，為電機的三相通電。
圖 1 ：由六個(gè)晶體管組成的三相電機 H 橋，與三個(gè)電機相位相連。
按特定順序打開(kāi)和關(guān)閉晶體管，使電機各相通電，以確保定子與轉子磁鐵感應所產(chǎn)生的磁場(chǎng)保持最佳方向（圖2）。
圖 2 ：無(wú)槽無(wú)刷直流電機的橫截面示意圖。藍色 區域是帶有兩極永磁體的轉子。磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng) 由藍色箭頭表示。橙色區域為三相繞組。當電流 從 A 相流向 C 相時(shí)會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，由橙色箭頭表 示，以便于簡(jiǎn)化。當兩個(gè)箭頭對齊時(shí)，轉子將旋 轉。驅動(dòng)器變換相位（旋轉定子磁場(chǎng)，橙色箭頭）， 以確保定子和轉子磁場(chǎng)之間盡可能保持 90 度（產(chǎn) 生最大扭矩）。
電機可以采用廣泛使用的六步梯形換向驅動(dòng)（圖3），也可以通過(guò)操作實(shí)現更先進(jìn)的矢量控制，也稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制（FOC），具體取決于電子設備的復雜程度（圖4）。
圖 3 ：六步換向相電流和霍爾傳感器狀態(tài)。
圖 4 ：使用 FOC 放大器的相電流。
無(wú)刷直流電機的PWM調節
在有刷或無(wú)刷直流電機中，應用的工作點(diǎn)（速度和扭矩）可能會(huì )有所不同。放大器的作用是改變電源電壓或電流，或兩者都改變，以實(shí)現期望的運動(dòng)輸出（圖5）。
圖 5：有刷直流電機和無(wú)刷直流電機之間的運動(dòng)控制架構比較。
改變電壓或電流通常有兩種不同的方式：
·線(xiàn)性放大器；
·斬波器放大器。
線(xiàn)性放大器通過(guò)改變電壓或電流，來(lái)調整傳遞給電機的功率。未輸送至電機的功率被耗散（圖6）。因此，需要一個(gè)大型散熱器來(lái)耗散功率，從而增大放大器的尺寸，使其更難以集成到應用中。
圖 6 ：為電機供電的線(xiàn)性放大器示例。
斬波放大器通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉功率晶體管來(lái)調節電壓（和電流）。它的主要優(yōu)點(diǎn)是在晶體管關(guān)閉時(shí)可以節省電源。這有助于節省應用的電池壽命，減少電子設備產(chǎn)生的熱量，并允許使用尺寸更小的電子設備。大多數情況下，斬波放大器都使用PWM 方法。
PWM 方法包括在固定頻率下改變占空比（圖7），以將電壓或電流調整到期望的目標值內。請注意，與其它方法相比，PWM 斬波電流的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率是一個(gè)固定參數。這使得電子設計師更容易過(guò)濾電磁噪聲。當PWM 晶體管占空比為100% 時(shí)，施加到電機上的電壓為母線(xiàn)電壓。當晶體管占空比為50% 時(shí)，施加在電機上的平均電壓為母線(xiàn)電壓的一半。當晶體管占空比為0% 時(shí)，不會(huì )向電機施加電壓。
圖 7 ：不同的 PWM 占空比。所有工況下的頻率都是相同的，而平均電壓（虛線(xiàn)）與占空比成比例。
無(wú)刷直流電機的電感效應
直流電機的特點(diǎn)是電感L、電阻R 和反電動(dòng)勢E 串聯(lián)。反電動(dòng)勢是由磁感應（法拉第- 楞次感應定律）產(chǎn)生的電壓，它與施加的電壓相反，并且與電機速度成正比。圖8 顯示了PWM 接通和PWM 斷開(kāi)時(shí)的電機。
圖 8:PWM 接通（左）和斷開(kāi)（右）時(shí)，直流電機的簡(jiǎn)化等效 電路圖。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，右側電路對應于慢衰減模式（電機中 的電流再循環(huán)）。
現在，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們不考慮反電動(dòng)勢。當向R L 電路施加電壓或切斷電壓時(shí)，電感器將阻止電流的變化。向R L 電路施加電壓U，電流將遵循一階指數上升，其動(dòng)態(tài)取決于由L / R 比決定的電時(shí)間常數τ（圖9）。在經(jīng)過(guò)5 倍時(shí)間常數后，它將逐漸達到穩態(tài)值，即99.7%的U/R。
圖 9:RL 電路中的電流按指數規律上升。
當R L 電路放電時(shí)，將觀(guān)察到相同的指數行為。實(shí)際上，無(wú)刷直流放大器具有相當高的PWM 頻率，電流不容易達到穩態(tài)。該頻率通常高于50 k H z，因此在每個(gè)換相步驟中，有足夠的周期對電流進(jìn)行適當調制。對于50k H z 的PWM 頻率，關(guān)閉和打開(kāi)晶體管的周期時(shí)間等于20μs�？紤]到六步換向，一個(gè)以40000 r p m（667H z）運行的單極對電機的一次換向時(shí)間，需要250μs。這樣，在一步換向期間，至少有250/20=12.5 個(gè)PWM 周期。
無(wú)刷直流電機的電氣時(shí)間常數τ 為幾百微秒。因此，在每個(gè)PWM 周期內，電流將有時(shí)間作出反應。但是，機械時(shí)間常數在幾毫秒范圍內，因此機械時(shí)間常數和電氣時(shí)間常數之間的系數為10。因此，當電壓以典型PWM頻率切換時(shí)，電機轉子本身沒(méi)有足夠的時(shí)間響應。幾千Hz 的低PWM 頻率可能會(huì )導致轉子振動(dòng)和可聽(tīng)見(jiàn)的噪音。建議使用高于可聽(tīng)頻率的頻譜，即至少高于20 kHz。
無(wú)刷直流電機PWM 的限制
PWM 將導致每個(gè)周期的電流上升和下降。電流最小值和最大值之間的變化稱(chēng)為電流紋波。高電流紋波可能會(huì )導致問(wèn)題。建議將其保持在盡可能低的水平。電機轉矩需要考慮平均電流。平均電流取決于占空比，與電流紋波無(wú)關(guān)。
與有刷直流電機不同，無(wú)刷直流電機沒(méi)有電刷。高電流紋波對壽命本身沒(méi)有影響。電流波動(dòng)會(huì )對電機損耗產(chǎn)生很大影響，產(chǎn)生不必要的熱量。電流紋波將產(chǎn)生兩類(lèi)損耗：
焦耳損耗。電流紋波將增加均方根（R M S）電流值，這是焦耳損耗計算中考慮的。紋波將產(chǎn)生額外的熱量，但不會(huì )增加平均電流，因此不會(huì )增加扭矩。請注意，它是RMS 電流函數變化的平方。
鐵損耗。根據法拉第電磁感應定律，導電材料中磁場(chǎng)的變化將產(chǎn)生電壓，然后產(chǎn)生被稱(chēng)為渦流的電流回路。鐵損耗與電機速度的平方和電機電流的平方成正比。根據實(shí)際測量，當電流紋波較大時(shí)，產(chǎn)生的額外鐵損耗會(huì )顯著(zhù)增加。因此，保持電流紋波盡可能低非常重要。
最小化電流紋波的建議
我們可以制定一些建議，以盡量減紋波：
降低或調整電源電壓。電流紋波與電源電壓成比例。高電壓，有助于到達需要高速或更高功率的極端工作點(diǎn)。然而，如果應用不需要高速或高功率，則較低的電源電壓將有利于降低電流紋波。在相同負載點(diǎn)下，以較低電壓運行也會(huì )增加占空比，這將進(jìn)一步降低電流紋波。務(wù)必將PWM 的占空比盡可能保持在50% 以?xún)�，這是最壞的情況。
增加PWM 頻率。頻率越高，PWM 的周期越短；因此，電流上升的時(shí)間更短。建議無(wú)刷直流電機的PWM 頻率不低于50 kHz。80 kHz 或更高的PWM 頻率，更適合于電氣時(shí)間常數非常小的電機。
增加電感。無(wú)刷直流電機的電感值非常小。增加外部電感是一個(gè)好主意，因為它們可以減緩電流的上升和下降，從而減少電流紋波。此外，針對1 k H z 的PWM頻率給出了指定的電感值。由于電機電感隨PWM 頻率變化，在50 kH z 的典型PWM 頻率下，電感可能會(huì )降低至規定值的70%。
通常通過(guò)實(shí)驗確定電感的最佳值。需要增加額外的電感，如圖10 所示。雖然這種解決方案可以解決當前的紋波問(wèn)題，但集成附加電感可能并不容易，尤其是在空間有限的情況下。因此，首先探索其它兩種方案通常是明智選擇。
圖 10 ：帶有額外線(xiàn)路電感的無(wú)刷電機。
PWM 具有許多優(yōu)點(diǎn)，是無(wú)刷直流電機中應用最廣泛的解決方案。設置適當的PWM 電壓，使用較高的PWM 頻率，將有助于減少紋波，并可以避免使用額外的電感。得益于現在電子元件較低的成本，使得采用高PWM 頻率成為一種簡(jiǎn)單的解決方案。
當涉及電子設備的尺寸和重量時(shí)（例如嵌入式電子設備的便攜式設備），或者當電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵指標時(shí)（額外電感內阻的焦耳損耗所消耗的額外能量），電氣設計師在開(kāi)發(fā)運動(dòng)控制系統時(shí)應考慮這些參數。
關(guān)鍵概念：
■ 審查無(wú)刷直流電機的PWM調節。
■ 了解無(wú)刷直流電機PWM的限制。
思考一下：
您是否正在解決選擇或開(kāi)發(fā)使用PWM驅動(dòng)無(wú)刷直流電機的電子設備所面臨的挑戰？ |
