实现无传感器和无电刷的电动机控制设计

电子

　　技术不断在向前迈进，新出品的电子元件简化了电动和控制器的设计，对於工程师开发电器用具设计并从无电刷电动机操作上得著莫大的好处是担当一个重要角色。
　　无电刷电动机（Brushless Motor）的应用设计越来越多都是传统上依赖DC和异步电动机。主要的好处一般包括无电刷电动机的单位成本和能以电子方式控制速度和转距，这不单节省机械设计，而且还使到在家用电器、电风扇、压缩器及工业传动机器上达至节能目的，传统的做法是在关闭与全速的浪费操作之间交替地进行。
　　无电刷电动机控制算法（control algorithm）需要转子位置数据来计算脉宽调制（PWM）输出，但是采用比如霍尔效应（Hall Effect）器件之类传感器来检测转子位置却加增成本和复杂性。并且也使到可靠性构成挑战。因此，设计师要敏锐地以无传感器检测方式来获得转子位置数据。

　　图1. 使用56F8013设计无电刷直流电动机控制系统。
　　为此，具备有DSP（数字信号处理）功能的新一代微控制器提供足够的计算能力，支援复杂的电动机控制策略，包括计算一般必须由附加传感器来采集的速度与位置数据。另一方面，也提供功率模块，此是采用智能功率技术将功率型MOSFET或IGBT与电流测量功能结合一体。这样简化了功率电路的设计，令到一个密集而独立的方案很容易组合到最终产品上。
　　电动机类型
　　在电动机控制系统中有四个核心部位应予凸显，它们是∶
　　·控制单元∶这是根据输入信号和来自传感器数据执行精密的位置与速度估计算法，控制单元也管理与电动机有关的系统保护。
　　·功率变换器∶这是提供电源来驱动电动机，并由DSP经特殊界面控制。
　　·传感器∶传感器传统上乃用来回馈电动机的位置数据，DSP以此来计算电动机所需的驱动功率。
　　·辅助电路∶加上电源和一般保护电路，合成无电刷电动机控制器设计。
　　广义来讲，常用的无电刷电动机分两类∶无电刷直流（BLDC）电动机和无电刷交流电动机（在别的情况称永磁同步电动机（PMSM）），两类中皆包含产生激励磁场的永磁转子及安排作二相或三相的定子绕组。在无电刷直流电动机中安排绕组使到每一相在沿著定子的空气隙中产生一个梯形磁场。在永磁同步电动机中旋转场是正弦的。

　　图2. 56F8013 DSC结合数字信号处理及专用电动机控制外围设备。
　　工作原理
　　在永磁同步电动机中，以三相正弦电压方式（120°相移）施加於定子绕组上，这样在转子周围建立一个旋转磁场。转子找寻与这旋转定子场对齐，故此，当转子与定子磁通分隔90°时造出的转距便是最大，又当磁通对齐时转距是零。最後，转子速度等於定子频率，因为这缘故，这类电动机被称为同步，电动机的转速可由调节三相电源的频率来控制。
　　永磁同步电动机在某些方面较无电刷直流电动机优胜，包括转距纹波小、可闻噪声低，以及更能够在低速工作。而另一方面，电动机结构大多复杂，需要精密的控制算法。电动机一般备有一个正交编码器（quadratur encoder）检测转子位置和转速回馈；有时还要用霍尔传感器检知起始位置。
　　在无电刷直流电动机中，定子各相被馈以一序列的梯形电压，这样混合一起便造出一个有矩形空间分布的旋转磁场，在图1所示的简化双极模型中有助於了解这类电动机的基本原理。
　　馈电线圈U和W建立磁场，指向如图中的N’和S’，因此转子以其N-S方向即经过一个力矩，并开始旋转；须注意，起初两磁场是90°移动，经过30°旋转後，定子被换向，以至新的形式下产生的定子场是与转子场移位120°，正如解释，转子势必跟随定子场，以至移位再减少至60°，在此时执行新的换向，并且该形势继续重复下去，於是获得360°旋转。
　　将给线圈的电源换向的正确时间由三个放置在电动机内里的霍尔传传感器来决定，因此，只要令磁场常操作於60°与120°之间移位及以90°为中界，六种不同形式便可造出最大效率，须记著最大转矩是於定子场与转子场是90°移位时得到的，显而易见，由无电刷直流电动机产生的转矩，特徵是有明显的波动。
　　必须的工作
　　在两类电动机情况来看，检测转子位置是电动机必须的工作，而霍尔传感器就是传统的解决方案。可是，这却加添材料成本，需额外的连线，以及代表多一个故障机制；断线或传感器失效令电动机停止，在维修而言这是昂贵的支出，一般会导致差劣的市场洞察力，又增加在工业应用上拥肿的成本。
　　另一缺点，使用霍尔传感器造出精确的速度控制，通常需要更昂贵的正交编码器或测速发电机，因此，创造一个无传感器方案，从而免除对霍尔传感器和相连电路的需求和依赖，祈望降低成本，加强以变速电动机驱动为特色的电器的可靠性和寿命。

　　图3. FCBS0550 550V MOSFET逆变器模块，备有独立负线，支援单引脚电流*。
　　要进行无传感器控制必须在电动机正在运行之时以其他的测量方法间接取得转子位置数据。就这两类电动机来讲，这要由转子在每一定子相中的感应来测量或估计反电动势（back emf），在无电刷直流电动机中，其中一相总是被关闭，这样便可利用反电动势测量和零交点检测来计算正确的相开关时间和形式。
　　在永磁同步电动机中，必须估计反电动势波形，然後利用反三角函数取出转子数据。在实际当中不少的干扰影响也叠加在定子电压波形上，须先行将之滤出，才可以抽出在数据中所包含的转子位置资料。在实现无传感器电动机控制上DSP是完全符合高速运算要求的最佳之选。
　　数字信号控制器
　　Freescale近来推出56F8000数字信号控制器（Digital Signal Controller）系列，此是把DSP功能与微控制器式的管理结合为一体。56F8000建基於一个高性能16 bit核芯，有32MIPS的操作速度，并装备有大量的外围服务应用程序，包括电动机控制和众多其他功能，譬如在图2中所示的56F8013就是使到电动机控制应用达至最优化，并包括以下的外围设备∶
　　·三相PWM模块，有15 bit分辨能力和一组可编程的故障和配置
　　·12 bit ADC，准许有同时转换和比如零交点检测。
　　·时间器模块，有16 bit分辨率和多通道结构，可用作速度或时间计算。
　　对於无电刷直流电动机，软件方面包括∶
　　·设有闭环速度与电流限制的电动机控制
　　·电动机从任何位置启动，采用一个对准过程从而知道初始的转子位置，需要正确的馈电次序。
　　·反电动势检测、与PWM同步，减小由於PWM信号在现用相上通电时因为互感和电容所造成的干扰。
　　·在运行过程中计算及更新换向时间，使到万一找不住零交点时可以作出修正动作。
　　·起动过程要顾及低速、预定的换向时序；这是需要的，因为在低转速时，比如当启动电动机时，反电动势的幅度太小以致难以检测。
　　对於永磁同步电动机，软件包括∶
　　·电动机控是依据场定位控制（FOC），这是用来维持定子与转子磁通於正交位置，以增大转矩效率。
　　·有称为滑动模式观测器（SMO）的反电动势估计器，其输出用来计算转子位置和速度等资料。
　　·速度与电流闭合环路，分别有更佳的速度与转矩性能。
　　聪明功率模块
　　除了实现位置估计算法外，设计电动机控制器的功率级是对工程师寻找一个快速和划算的方案又是另一个重大挑战，尤其功耗和与大电流高电压工作相关的干扰影响。即使是一位富经验的设计师也要付出相当的思量和劳力，例如要将布局优化处理，才可减少功率开关的连带效果。其中一个更专门的部份是为功率开关设计的驱动管，这会用MOSFET或IGBT制造，视乎所需的电压额定值来决定。
　　要解决种种挑战，有些制造商供应完备的模块，内里将所需的功率开关与驱动器和界面电路整合，只需电动机控制输入信号，还有电源直接驱动电动机便可以了。设计范围已缩小至一个简单过程 ─ 找一个大小符合於功率额定值的散热器。布线上经已在模块内里优化，减少连线长度，减少功率损失、以及电容/电感的副作用，除此以外，电源结构相对於分立式方案更为简化，导致到整个设计更加紧密。

　　图4. International Rectifier的智能电源模块结合了数字电路和大功率驱动器
　　譬如Fairchild推出的聪明功率模块FCBS系列，就包括有集驱动、保护、系统控制等功能一身的500V MOSFET逆变器。如图3所示，HVIC技术使到单电源MOSFET门驱动能力上不需用光电耦合器，这有助於缩减全部两成的板面。元件安装在低热阻陶瓷衬底上。有效地排除热力至模块的表面，此处可连接散热器。综合保护方面包括欠压封锁和短路保护，而分开的负DC线端提供单脚电流*。
　　International Rectifier（IR）以其智能功率模块（IPM）解决了合乎经济效益的无电刷电动机设计，特色是高度集成化，将IR专利的三相门驱动器和高效率的沟道IGBT技术集合於单列直插式组件上，如图4所示，一个IPM便替代超过20个分立元件，IR采用绝缘金属衬底技术，提高热效能，减少EMI干扰，这样为节能用具和由变速电动机驱动的轻工业设备造就了一个完备的功率级方案。可获得的模块都是为功率额定值由400W至2500W作出最优化。
　　就以IRAMS06为例，它额定於6A输出，不单结合IGBT和门驱动器，还有温度*，过流关闭、欠压封锁和防止交叉导电逻辑，其他特色譬如作为高端驱动的阴极负载二极管和单极电源等，简化了整个系统设计，不需额外的隔离，因为元件本身获得高达每分钟2000Vrms，IR也在www.rf.com/designcenter/ipm发表网上设计工具，有助於设计师使用IPM系列和电动机控制IC的IRMCK系列设计其方案。

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