無(wú)刷直流（BLDC）電機已經(jīng)廣泛應用于家用電器、工業(yè)設備和汽車(chē)等領(lǐng)域。相對于傳統有刷電機，雖然無(wú)刷直流電機能夠提供更可靠和免維護的替代方案，但卻需要更復雜的電子設備來(lái)進(jìn)行驅動(dòng)。本文將探討驅動(dòng)無(wú)刷直流電機的多種不同技術(shù)、傳感器方案以及使用的流行算法。此外，還將介紹一些來(lái)自領(lǐng)先供應商的電機驅動(dòng)器IC以及合適的開(kāi)發(fā)和原型設計資源。
無(wú)刷電機應用
在過(guò)去十年中，無(wú)刷直流電機已經(jīng)變得非常流行，它的應用可能比Wi-Fi更加普遍，無(wú)論在家里、辦公室，還是在汽車(chē)等周?chē)鷪?chǎng)景中，您可能都會(huì )驚訝地發(fā)現這些無(wú)刷直流電機。Allied Market Research估計，到2030年，全球無(wú)刷直流電機市場(chǎng)將從2020年的332億美元增至722億美元（參見(jiàn)圖1），其《2030年無(wú)刷直流電機市場(chǎng)研究》報告預測，所有額定功率電機的復合年增長(cháng)率為10.3%，其中750～3000W類(lèi)別的無(wú)刷直流電機復合年增速最為顯著(zhù)。
圖1：Allied Market Research（AMR） 發(fā)布的2020～2030年無(wú)刷直流電機市場(chǎng)增長(cháng)趨勢。（來(lái)源：AMR，https://www.alliedmarketresearch.com/brushless-dc-motors-market，已獲請求許可）
無(wú)刷直流電機適用于多種不同應用，包括電池供電的電動(dòng)工具、家用吸塵器、無(wú)線(xiàn)遙控無(wú)人機和電動(dòng)汽車(chē)，以及從傳送帶到生產(chǎn)機器人等數百種工業(yè)領(lǐng)域的應用。
無(wú)刷直流電機由于其低維護特性而受到歡迎，它們的能效也很高，通常高達92%，比同等尺寸的有刷電機高出至少10%至15%。此外，由于沒(méi)有任何電刷摩擦，BLDC能夠以更高的速度運行。去除電刷也有助于實(shí)現更緊湊的尺寸，具有較低的可聽(tīng)噪聲，并可顯著(zhù)降低EMI。這些特性使它們成為電動(dòng)汽車(chē)的理想動(dòng)力傳動(dòng)部件，因為在電動(dòng)汽車(chē)中，高扭矩和高速性能至關(guān)重要。
然而，BLDC所具有的優(yōu)勢也需要與其較高的成本和復雜的驅動(dòng)要求一同考慮。圖2比較了流行的不同種類(lèi)電機配置，顯示了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。盡管無(wú)刷直流電機操作和定子繞組內部結構略有不同，但它們與永磁同步電機（PMSM）很相似。
圖2：用以說(shuō)明流行直流電機主要優(yōu)缺點(diǎn)的產(chǎn)品類(lèi)型。（來(lái)源：Qorvo）
無(wú)刷直流電機如何工作？
在探討B(tài)LDC和PMSM如何工作之前，讓我們簡(jiǎn)要介紹一些基本的電機術(shù)語(yǔ)：
繞組：繞組是指放置在定子或轉子上的銅線(xiàn)線(xiàn)圈，它們起著(zhù)電磁鐵的作用，可根據電流的方向產(chǎn)生磁場(chǎng)。圖2中無(wú)刷直流電機的三個(gè)繞組可以串聯(lián)連接構建單相電機，也可以單獨連接構建三相無(wú)刷直流電機。
轉子：轉子是指電機的旋轉部件。轉子周?chē)睦@組通過(guò)有刷電機電刷接收能量。在無(wú)刷電機中繞組是在定子上，永磁鐵圍繞著(zhù)轉子。轉子和定子之間存在微小氣隙。
定子：定子是外殼電機的非旋轉部分。圖2中顯示了有刷電機的定子磁極。如果與BLDC比較，BLDC中的定子包含非旋轉繞組。
換向：通過(guò)改變繞組中電流方向以實(shí)現旋轉。
反電動(dòng)勢：反電動(dòng)勢是繞組在通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的電能。在無(wú)刷直流電機情況下，反電動(dòng)勢來(lái)自轉子的永久磁鐵，它可用于感應轉子相對于定子繞組的位置，從而驅動(dòng)換向過(guò)程。
永磁同步電機和無(wú)刷直流電機之間的區別主要在于其定子繞組的形狀，以及由此產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形特性（參見(jiàn)圖3）。
圖3：BDLC和PMSM電機產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形比較。（來(lái)源：Qorvo）
電機驅動(dòng)算法和傳感器
實(shí)現無(wú)刷直流電機或永磁同步電機的旋轉需要通過(guò)對施加到定子繞組的驅動(dòng)信號進(jìn)行換向�；诎雽w器件的電機驅動(dòng)控制器（通常稱(chēng)為驅動(dòng)器）產(chǎn)生波形，波形的數量和形狀取決于電機類(lèi)型和相數。如圖3所示，與永磁同步電機采用的具有磁場(chǎng)定向控制（FOC）正弦方法相比，無(wú)刷直流電機適合梯形驅動(dòng)波形。在三相PMSM中，換向利用三個(gè)正弦波波形，相位彼此相差120度。BLDC電機也可以使用正弦波形來(lái)驅動(dòng)。
無(wú)論是使用FOC還是梯形驅動(dòng)器，有效的轉子控制都需要精確地知道轉子相對于定子繞組的位置，這能夠為電機驅動(dòng)提供重要的反饋，以便更好地控制電機速度和扭矩。位置信息決定驅動(dòng)信號的順序、時(shí)間和頻率。
確定轉子位置的方法有兩種：傳感器或無(wú)傳感器。
傳感器：霍爾效應傳感器可布置在每個(gè)定子繞組旁邊（參見(jiàn)圖2中的藍色小方塊），在轉子旋轉時(shí)可檢測磁場(chǎng)極性的變化（N到S，S到N）。每個(gè)三相電機需要三個(gè)傳感器。
無(wú)傳感器：無(wú)傳感器方法使用反電動(dòng)勢來(lái)確定轉子位置，而不是使用傳感器。
兩種感測方法各有利弊。使用霍爾效應傳感器會(huì )涉及額外的零部件成本和更多的組裝時(shí)間，但采用傳感器感測的BLDC/PMSM電機可提供優(yōu)異的扭矩、平穩的轉動(dòng)和更高效率。永磁同步電機的驅動(dòng)控制器往往更復雜，采用FOC需要使用傳感器。
無(wú)傳感器方法在無(wú)刷直流電機中很普遍，會(huì )使電機達到比較誘人的低價(jià)格，但要求算法根據定子繞組中感應的反電動(dòng)勢來(lái)確定轉子位置。無(wú)傳感器BLDC電機的一個(gè)很大挑戰出現在啟動(dòng)時(shí)，由于沒(méi)有任何運動(dòng)，就沒(méi)有反電動(dòng)勢，所以計算轉子的位置必須用另一種方法。通常，高頻驅動(dòng)信號被饋送到每個(gè)相繞組，通過(guò)特定算法相應地計算位置。
圖4：一個(gè)三相BLDC電機簡(jiǎn)化圖，其中使用霍爾效應傳感器創(chuàng )建換向過(guò)程，并對逆變器操作進(jìn)行排序。（來(lái)源：Qorvo）
圖4突出顯示了使用霍爾效應傳感器（HSW、HSV和HSU）的一個(gè)簡(jiǎn)單三相BLDC電機配置。傳感器基本上是數字開(kāi)關(guān)，指示檢測到的磁場(chǎng)極性，N等于“1”，S等于“0”。三個(gè)傳感器的輸出組合在一起，給出一個(gè)3位數字邏輯“操作碼(opcode)”，在它變化時(shí)指示轉子的位置和方向，這些信息是三相功率晶體管逆變器級提供驅動(dòng)信號的基礎。對于功率相對較低的BLDC應用，傳感器接口、電機控制器和驅動(dòng)晶體管通常集成在單個(gè)控制器IC中。而高功率電機則通常采用來(lái)自控制器IC的柵極驅動(dòng)輸出，并采用配備有散熱器的功率MOSFET來(lái)實(shí)現所需的驅動(dòng)電流。
為了改變電機的速度，可通過(guò)脈寬調制（PWM）技術(shù)來(lái)改變占空比（duty cycle），即脈沖開(kāi)/關(guān)的比率。這種方法可以限制啟動(dòng)電流，因而在電機啟動(dòng)期間采用也可提供很大優(yōu)勢。
BLDC電機驅動(dòng)IC和開(kāi)發(fā)資源
圖5所示為一個(gè)低功率無(wú)傳感器三相BLDC電機驅動(dòng)器TI DRV10963的功能框圖，該IC包含三個(gè)功率MOSFET，適合于最高5V/0.5A的BLDC電機，可用于驅動(dòng)筆記本電腦和高性能處理器上使用的冷卻風(fēng)扇。DRV10963具有短路和過(guò)流保護功能，通過(guò)多路復用模數轉換器（ADC）監測每個(gè)MOSFET的電流和電壓。PWM輸入可以用來(lái)控制并達到期望的電機速度�！癋R”輸入允許在啟動(dòng)時(shí)改變電機方向，“FG”輸出提供電機速度信息。
圖5：TI DRV10963 5V三相無(wú)傳感器BLDC電機驅動(dòng)器功能框圖。（來(lái)源：TI）
Microchip可提供全面的單芯片BLDC電機驅動(dòng)器和柵極驅動(dòng)器IC系列，MCP8063就是其中一例，它是一種三相無(wú)刷正弦無(wú)傳感器電機驅動(dòng)器，專(zhuān)為汽車(chē)冷卻風(fēng)扇和多種泵應用而設計。
Qorvo PAC5532電源控制器適用于廣泛的高速消費產(chǎn)品、工業(yè)和汽車(chē)中的電機控制等應用，包括電池供電電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)和輕型混合動(dòng)力汽車(chē)等。PAC5532適用于48～120VDC系統，集成有150MHz Arm Cortex-M4F 32位內核，具有全面且可配置的電源管理和驅動(dòng)功能（參見(jiàn)圖6）。
圖6：電池供電電機控制應用中Qorvo PAC5532的簡(jiǎn)化配置框圖。（來(lái)源：Qorvo）
Qorvo PAC5532EVK1評估套件可為PAC5532提供補充支持。
圖7（來(lái)源：Qorvo）列出了評估套件的主要組件，包括PAC5532和三相半H橋（half H-bridge）逆變器組件�；贕UI的軟件開(kāi)發(fā)工具包可從Qorvo網(wǎng)站下載。
另一款電機控制IC是高性能Renesas RA6T2微控制器系列。該IC基于240MHz Arm Cortex-M33微控制器內核，包括一個(gè)基于硬件的加速器，用于加速復雜的電機控制算法和運行安全加密功能。它還集成了一組非常齊全的模擬功能，包括一個(gè)12位模數轉換器（ADC）、一個(gè)12位數模轉換器（DAC）、可編程增益放大器和高速比較器（參見(jiàn)圖8）。
圖8：基于Renesas RA6T2微控制器的電機控制器功能框圖。（來(lái)源：Renesas）
Renesas MCK-RA6T2評估套件可針對無(wú)刷電機驅動(dòng)器設計提供一種方便實(shí)用的原型制作方法。該套件包括三個(gè)連接板：逆變器板、微控制器板和通信板，還包括一個(gè)小型無(wú)刷直流電機以及所有必需的電纜。MCK-RA6T2的功能架構如圖9所示。
圖9：Renesas MCK-RA6T2無(wú)刷電機評估套件的功能框圖。（來(lái)源：Renesas）
開(kāi)始BLDC電機控制設計
在本文中，我們探討了無(wú)刷電機如何運行，討論了它們受市場(chǎng)歡迎的主要原因，并著(zhù)重介紹了一些應用案例。上面介紹的領(lǐng)先半導體解決方案為您提供了一種使用方便，有充分文檔支持，且值得信賴(lài)的技術(shù)途徑，能夠幫助您開(kāi)始首個(gè)BLDC/PMSM設計。 |
