三相BLDC電機控制系統的實際應用及設計探討

如今，工程師將電機控制系統用于數字與模擬技術來應對過去面臨的挑戰，包括電機速度控制、旋轉方向、漂移及電機疲勞等。微控制器 (MCU) 的應用為當代工程師提供了動態控制電機動作的機會，從而使其能夠應對環境壓力和狀況。這有助于延長操作壽命并減少維修，從而降低成本。

目前，電機制造商傾向于制造三相BLDC電機。原因在于BLDC電機不直接接觸換向器和電氣終端(有刷電機直接接觸)，因而不僅可降低功耗增加扭矩，同時還可延長操作時間。遺憾的是，與有刷直流或交流電機相比，三相電機控制裝置更加復雜。此外，數字與模擬組件之間的關系變得非常重要。

本文將簡要探討在三相BLDC電機應用中使用模擬組件和微控制器時應考慮的問題。同時還將重點介紹適合在直流電壓從12V到300V不等的電源下驅動微控制器的電源管理裝置及功率電平位移器。

1 對BLDC電機的需求的來源

近來，設計師更喜歡使用高效的BLDC電機。這種趨勢適用于眾多市場和各種應用。目前，許多應用能夠或已經使用BLDC電機替代過時的交流電機或機械泵技術。使用BLDC電機的重要優勢包括：

●更高效(達 75%,交流電機僅為 40%)

●更少的熱量

●高耐久性(無刷型，所以無磨損)

●可在危險環境下操作更加安全(無灰塵產生，而有刷電機則有)。

在主要子系統中使用BLDC電機還可降低整個系統重量。由于BLDC電機完全采用電子整流，因此更易于高速地控制電機的扭矩和RPM.全球政府正應對電網不足引起的有效功率不足。此外，全球許多地區必須應對需求高峰期產生的電源中斷。因此，這些國家正在提供補貼或準備發放補貼，以便更有效地使用BLDC電機。

2工業系統應用

多數泵、風機、空調、混合器及 HVAC 需要電機驅動。歐盟已經發布法令要求所有新的工業用具使用 BLDC 電機的三相“變頻驅動”。

圖1 空調原理框圖3 BLDC電機驅動

有幾種方法可用于驅動BLDC電機；一些基本系統要求如下所列：

3.1大功率晶體管

這些通常是場效應管(MOSFET)或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，可承受高壓(滿足電機的要求)。多數家電使用的電機功率為1/2至3/4馬力(1馬力=734瓦特)。因此，典型電流能力可達到10A.對于高壓系統而言(通常 >350V)，可使用IGBT。

3.2MOSFET/IGBT驅動器

通常，可使用一組MOSFET/IGBT驅動器。可選擇“半橋”驅動器或三相驅動器。這些解決方案能夠操作的電壓必須為電機電壓的兩倍，以應對電機產生的逆電動勢 (EMF)。此外，這些裝置需要通過設置時間和切換控制提供功率晶體管保護，從而確保底部晶體管打開之前關掉頂部晶體管。

3.3反饋元件/控制

設計師應在所有伺服控制系統中設置一些“反饋元件”。例如光學傳感器、霍爾效應傳感器、轉速計及最簡單的“EMF傳感”。各種反饋方法都非常有用，主要取決于所需精確度及所需RPM和扭矩。許多消費者電器通常使用反電動勢傳感的無傳感器技術。

3.4模擬數字轉換器

在許多情況下，需要設置模擬數字裝置，以將模擬信號轉換為數字信號，從而將數字信號發送至系統MCU.