关于 BLDC 电机控制：无传感器无刷直流电机控制器

接线图 2024年02月06日 17:44 214 admin

    了解无传感器无刷直流电机控制器、一些示例 IC 以及使用此类电机的一些缺点。
       有刷和无刷直流电机的快速回顾
    无刷直流 (BLDC) 电机与其前身有刷直流电机相比变得非常流行（见下图）。顾名思义，“有刷”直流电机使用电刷和换向器来控制电机转子的运动。
    有刷直流电机使用电刷和换向器

关于 BLDC 电机控制：无传感器无刷直流电机控制器第1张

    图 1.有刷直流电机使用电刷和换向器。图片由克莱姆森大学提供。
    同样，顾名思义，无刷直流电机不使用电刷；电机运动由精心设计的驱动信号控制。与有刷电机相比，无刷电机具有更高的可靠性、更长的使用寿命、更小的尺寸和更轻的重量。BLDC 电机在效率至关重要的应用中变得越来越流行，一般来说，BLDC 电机被认为是一种高性能电机，能够在很宽的速度范围内提供大量扭矩。
    一些 BLDC 电机使用霍尔效应传感器来检测电机转子相对于电机定子的位置（参见下面的图 2）。
    使用霍尔效应传感器的 BLDC 电机

关于 BLDC 电机控制：无传感器无刷直流电机控制器第2张

    图 2.使用霍尔效应传感器的 BLDC 电机。图片由Nidec.com提供。
    其他电机没有传感器；它们被称为无传感器 BLDC 电机。代替使用霍尔效应传感器来确定转子的位置和/或速度，采用一种称为反电动势的现象（参见下面的图 3）。
    使用反电动势的无传感器 BLDC 电机控制
    图 3.使用反电动势的无传感器 BLDC 电机控制。图片由 Microchip 提供（第 4 页）。

关于 BLDC 电机控制：无传感器无刷直流电机控制器第3张

    无传感器 BLDC 电机控制
    无传感器 BLDC 电机控制——有时称为 BLDC 电机的无传感器梯形控制——使用反电动势 (BEMF) 来确定电机转子（电机的旋转部分）相对于电机定子（静止部分）的位置。
    施加在电机绕组上的电压迫使电机转子转动。然而，转子在电机磁场中的运动类似于发电机的行为，因此电机不仅接收外加电压，还产生自己的电压。该电压称为反电动势或反电动势，它与电机的转速成正比。反电动势可用于确定电机的转子速度和位置——不需要传感器。通过反电动势控制电机不是一项简单的任务；大多数无传感器 BLDC 电机都使用微控制器、数字信号处理器或专用驱动器 IC 进行控制。下图显示了一个典型的无传感器 BLDC 电机驱动器。
    典型的无传感器 BLDC 电机驱动

关于 BLDC 电机控制：无传感器无刷直流电机控制器第4张

    图 4.典型的无传感器 BLDC 电机驱动器。
    Texas Instruments 的DRV10983是一款具有集成功率 MOSFET 的三相无传感器电机驱动器，能够提供高达 2 A 的连续驱动电流。它高度集成并且需要很少的外部组件。
    TI 的 DRV10983 无传感器 BLDC 电机控制驱动器

关于 BLDC 电机控制：无传感器无刷直流电机控制器第5张

    图 5.TI的 DRV10983 无传感器 BLDC 电机控制驱动器。图片由 Texas Instruments 提供（第 1 页）。
    并非所有无传感器 BLDC 电机控制器都集成了 MOSFET。例如，考虑Allegro 的A4964。这部分需要使用外部N沟道功率MOSFET；它可以与微控制器一起运行，也可以作为独立的单芯片电机控制器运行。
    Allegro 的 A4964 无传感器 BLDC 控制器既可以与微控制器一起运行，也可以作为独立的电机控制器运行

关于 BLDC 电机控制：无传感器无刷直流电机控制器第6张

    图 6. Allegro 的 A4964 无传感器 BLDC 控制器可以与微控制器一起运行，也可以作为独立的电机控制器运行。图片取自 A4964数据表。
    如前所述，在描述无传感器 BLDC 电机控制器时有时会使用术语梯形。当查看下图时，很容易看出原因：电机三相中每一相的电压波形均为梯形。
    Microchip 的 AN970 显示霍尔效应传感器波形和相应的反电动势梯形波形

关于 BLDC 电机控制：无传感器无刷直流电机控制器第7张

    图 7. Microchip 的 AN970 显示了霍尔效应传感器波形和相应的反电动势梯形波形。图片由 Microchip 提供（第 3 页）。
    无传感器 BLDC 电机控制器的缺点
    当无传感器 BLDC 电机的转子旋转时，其无传感器方案可以完美工作。然而，当电机转子静止时情况并非如此，这导致我们使用无传感器 BLDC 电机的一个主要缺点。当电机的转子不转动时，不会产生反电动势。如果没有反电动势，驱动电路将缺少正确控制电机所需的信息。
    对于这个问题，德州仪器 (TI) 提供了两种解决方案，如其 DRV10983 数据表（第 17 页）中所述：
    使用 DRV10983 的初始位置检测(IPD) 功能“根据 BLDC 电机中经常出现的确定性电感变化”确定转子位置。
    或者，使用align-and-go技术。使用这种方法，在其中一相之间施加电压以迫使转子进行已知对准。
    使用无传感器 BLDC 电机的另一个缺点与反电动势和角速度之间的关系有关。较低的速度意味着较少的反电动势，因此霍尔效应 BLDC 电机在低速应用中可能比无传感器 BLDC 电机更有效。

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