广告

了解电机控制的基础知识

2023-03-16 15:54:44 Stefano Lovati 阅读:
本文将基于Qorvo公司出版的“For Dummies”系列电子书,介绍每位设计人员、制造商或学生在面对电机控制应用时所必须掌握的基本概念。

电机广泛用于多种电子应用中,可以说它们无处不在。在我们的家中,有多个例子,例如风扇、吹风机、暖风机和厨房用具等等。如果再考虑汽车,我们很快就会发现车内有不同类型的电机:加热系统、冷却风扇、电动车窗、电动后视镜和座椅控制装置等等。CtTednc

本文将基于Qorvo公司出版的“For dummies”系列电子书[1],介绍每位设计人员、制造商或学生在面对电机控制应用时所必须掌握的基本概念。CtTednc

有刷电机与无刷电机

市场上有不同类型的电机,设计人员必须根据具体应用的技术和经济要求进行选择。电机的主要类别有以下几种:有刷、无刷(又分为BLDC和PMSM)、感应和步进。CtTednc

图1显示了上述四种类型的电机,并总结了每种电机的主要优缺点。CtTednc

CtTednc

图1:四种主要类型的电机。(图片来源:参考文献1)CtTednc

对于各种应用,BLDC和PMSM这两种密切相关的无刷电机越来越受欢迎。这些电机不需要电刷或换向器,使其比有刷电机更有效,并能显著延长电机寿命。CtTednc

有刷电机中的电刷/换向器接口产生换向,也即切换各相中的电流以产生旋转磁场的过程,从而引起运动。这种相互作用会引起摩擦和电弧,这两者都是不希望的。CtTednc

BLDC和PMSM两种电机使用电子产生的旋转磁场来消除电刷和换向器。提供给相位的电压和电流,使用专为完成此任务而设计的外部电路进行调制。CtTednc

BLDC电机和PMSM电机尽管更复杂,但与传统有刷电机相比具有显著优势。它们的电子换向技术比以相同速度运行的有刷电机更可靠、更小、更轻、更安静,能效提高了20%至30%。CtTednc

在有刷电机中,绕组位于转子上,而在无刷电机中,它们位于定子上。由于永磁体和绕组在电机内的布置方式,因此不需要电刷。需要一个电子控制器来控制流向BLDC电机或PMSM电机定子线圈的电流。CtTednc

与交流感应电机相比,BLDC电机和PMSM电机可实现精确的速度控制,更适合变速应用,并具有出色的速度与转矩特性。CtTednc

电机控制器

由于BLDC电机和PMSM电机均采用电子换向,因此它们需要采用专用电路来提供准确的线圈通电时序,从而确保准确的调速、转矩控制和效率优化。CtTednc

今天,该电路(也称为电机控制器)已被集成到一个用于驱动外部(在某些情况下是内部)大功率MOSFET的高性能微控制器(MCU)中。集成解决方案的主要好处主要有两个:CtTednc

  • 它简化了电机驱动电路的设计,将复杂性转移到微控制器内部;
  • 它减少了外部元器件(BOM)的数量,从而降低了成本。

电机控制器中所实现的最重要的功能如下:CtTednc

  • 调节电机速度、转矩或功率输出;
  • 启动阶段的控制(软启动);
  • 防止电路故障和过载;
  • 加速和减速曲线。

电机驱动类型

BLDC电机和PMSM电机都可以视为同步电机。施加到定子相位的换向会产生旋转磁场,而转子上的磁极则会试图赶上同步。这会导致电机旋转,如果施加换向,电机会继续旋转。CtTednc

当将载流导体置于磁场中或有导体切割磁场时,导体中会感应或产生出电动势(EMF)。闭合路径是允许电流流过的路径。由于电机中感应的电动势与发电机的电动势相反,因此在任何电机中因运动而产生的电动势称为反电动势。CtTednc

BLDC和PMSM两种电机的定子绕组几何形状不同,这会导致不同的反电动势(BEMF)响应。CtTednc

更准确地说,BLDC BEMF响应是梯形的,而PMSM具有正弦BEMF(见图2)。这是因为在PMSM中,线圈以正弦方式缠绕,从而会产生正弦BEMF特征(非常类似于相位相隔120°的三个正弦波)。CtTednc

CtTednc

图2:BLDC和PMSM两种电机的BEMF。(图片来源:参考文献1)CtTednc

由于BEMF波形不同,因此每种电机类型都需要不同的控制。CtTednc

梯形控制FOC控制

为了获得控制PMSM电机所需的正弦波形,需要使用磁场定向控制(FOC)算法。FOC是使用两个正交分量对三相电机中的定子进行的变频控制。一个是由定子产生的磁通量,而另一个是由转子位置所确定的电机速度所定义的转矩。CtTednc

在正弦换向中,所有三根导线都受到一个每相相隔120°的正弦电流连续通电。这会在在电机鼠笼内产生一个旋转的南北磁场。为了正确运行,FOC算法需要知道电机的位置和速度。CtTednc

与PMSM电机控制相比,BLDC电机控制更容易、更简单且成本更低。然而,后者在电流波形中实现了更低的噪声和更少的谐波。通常,BLDC电机使用六步梯形算法性能更好,而PMSM电机则使用正弦波换向算法性能更好。CtTednc

有传感器电机和无传感器电机

带传感器的BLDC电机和PMSM电机在电机定子中嵌入使用了三个霍尔传感器(每相一个)。这样可以让控制器知道转子位置,从而确定哪个部分需要通电以及何时通电。CtTednc

带传感器的电机更昂贵,需要采用更多布线并增加了生产的复杂性。出于这些原因,无传感器电机在许多应用中变得流行起来。无传感器电机需要通过算法将电机用作传感器来运行,并依赖于BEMF信息。在控制BLDC电机的传统六步梯形换向算法中,在任何给定时间只有两相通电。另一相是浮动的,因此提供了了解电机BEMF的窗口。通过对该BEMF进行采样,可以推断出转子位置,从而无需使用基于硬件的传感器。CtTednc

无传感器算法的主要缺点是在启动期间,此时BEMF(与电机速度成正比)为零。如果没有BEMF,则无法确定转子位置。然而,将高频信号注入三相以推断转子位置的新算法,可以克服这个问题。CtTednc

电机控制器

当今的集成电机控制器,例如3所示的片上系统(SoC),在单个芯片中包含了控制电机运行所需的所有模拟和数字部件。CtTednc

3所示,微控制器内核具有模拟前端、电源驱动器、电源管理、脉宽调制(PWM)发生器和序列驱动数据采集。电源管理器还能处理系统功能,包括内部参考生成、定时器、休眠模式管理以及电源和温度监控。CtTednc

CtTednc

图3:高度集成的BLDC电机控制器/驱动器。(图片来源:参考文献1)CtTednc

将所有这些模块集成到单个器件中,而不是使用分立元器件,为所有应用提供了一个紧凑的软件可配置解决方案,因此简化了设计并降低了成本和上市时间。CtTednc

参考文献

[1] “Motor Control Fundamentals For Dummies, Qorvo Special Edition” by David Schnaufer, David Briggs, Marc Sousa, and Jose QuinonesCtTednc

想了解更多有关电机控制的知识?3月30日,AspenCore将在上海举办国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2023),同期举办的“第25届高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”邀请到国内外多家优秀的电源芯片提供商,欢迎感兴趣的朋友点击这里报名参会,并到场交流。CtTednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Learning the Basics of Motor Control,由Franklin Zhao编译。)CtTednc

本文为《电子技术设计》2023年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里CtTednc

责编:Franklin
本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了