控制无刷直流电动机应用范围广泛

简化的磁场定向电机控制算法的出现，可以托管在价格合理的嵌入式控制器上，是无刷直流（BLDC）电机成功的重要因素，无刷直流（BLDC）电机现在优于普通有刷直流和线路供电交流电机。各种情况下的电动机。它们的应用范围涵盖工业执行器和机床，机器人，计算机外围设备，医疗设备，如呼吸器和分析仪，汽车驱动器，鼓风机和泵，以及家用电器等等。
BLDC电机的优点不仅仅是增强可靠性，还可以减轻与碳换向电刷相关的可听噪声和电气干扰。虽然有刷电机主要是电压控制，但BLDC对电子换向的依赖带来了更高精度管理转子位置，速度和加速度以及电机输出转矩，效率和其他参数的机会，以满足特定的应用要求。
BLDC控制策略
BLDC电机的控制取决于知道转子位置。该信息使控制器能够协调转子线圈相对于磁场的供电，以确保电机提供所需的响应：这可以是保持速度，加速，减速，改变方向，减少或增加扭矩，紧急停止或其他响应取决于应用和操作条件。
可以使用位于转子轴上的传感器或编码器直接检测转子位置。可提供各种类型的编码器，大致分为相对位置和绝对位置类型。还有各种类型的传感技术，例如磁线圈旋转变压器，或霍尔效应，光学或电容传感器。根据分辨率，坚固性或成本等要求，这些类型中的任何一种都可能适用于给定的用例。
无传感器控制是一种切实可行的替代方案，它利用当今微控制器的计算能力，通过测量每个转子绕组中的反电磁场（EMF）来计算转子位置。消除对编码器的需求可以节省材料清单成本并简化组装，并提高可靠性。结合磁场定向控制（FOC），将转子电流分解为直接（d）和正交（q）矢量作为缓慢变化的DC值，简化了控制挑战，转子位置的无传感器检测在这样的场景中非常有效作为家用电器和汽车车窗，后视镜或座椅控制装置，其最终精度不如成本和可靠性那么重要。
另一方面，当仅产生小的反EMF时，无传感器控制在低转子速度下效率较低。
控制器和电源模块选择
为了控制BLDC转子相中的电流流动，微控制器首先将应用命令转换为每个线圈的脉冲宽度调制（PWM）切换信号。这些信号输入到栅极驱动器，最终控制电源开关 - 通常是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） - 向转子线圈提供电流。可以使用包含内置栅极驱动器和小功率MOSFET的完全集成的电机控制MCU来管理具有低电流需求的超小型电机。另一方面，更大，更高功率的电机需要专用的外部驱动器和MOSFET。




功率MOSFET最常连接为电机和双极电源之间的H桥或全桥配置，如图1所示。上下MOSFET分别控制在对角线上：这是晶体管1与晶体管2配对，晶体管3与晶体管4配对。这使得线圈能够在一个方向或另一个方向上通电，从而以正向或反向驱动电动机。在这种配置中，电动机可能没有接地，这通常需要使用脉冲变压器或光耦合器将MOSFET驱动器与微控制器电隔离。
为了选择最适合构建H桥的MOSFET，设计人员必须考虑所需的电压和电流额定值，开关速度以及开关和传导损耗等因素。反过来，栅极驱动器必须能够快速充电和放电MOSFET的栅极电容，以确保切换到应用所需的最大频率。
市场上有各种各样的微控制器和专用电机控制器，适用于BLDC控制应用。一个例子是赛普拉斯半导体公司的PSoC 3系列可编程片上系统IC。如图2所示，PSoC 3架构提供了BLDC电机控制所需的一整套功能模块。



集成电源模块
PSoC 3包含控制BLDC电机所需的大部分功能元件，但H桥和驱动器除外。为实现驱动器，图3所示的Microchip MCP8024三相BLDC电源模块等器件提供了一种便捷的解决方案，可替代分立电路，将PSoC 3产生的PWM信号连接到MOSFET H桥。


图3 MPC8024是一款高度集成的电源模块，用于控制外部MOSFET的栅极，控制BLDC电机的供电。（来源：Microchip Technology）

MCP8024集成了三个基本功能，例如三个额定电压高达12V和0.5A的半桥驱动器，具有直通保护和高侧和低侧MOSFET的独立输入控制，以及用于为配套微控制器供电的降压转换器。还有三个用于相电流监测和转子位置检测的运算放大器，一个过流比较器，两电平转换器，以及5V和12V 20mA LDO稳压器。进一步的内置保护功能包括欠压和过压锁定，短路保护和热关断。这种广泛的功能集成在一个紧凑的40引脚5mm x 5mm QFN或48引脚7mm x 7mm TQFP中。
结论
BLDC电机已迅速成为首选的电机类型，适用于从消费产品，汽车驱动器和执行器，家用电器到高端工业和医疗设备等具有成本意识的大众市场机会。它们具有高可靠性，多功能性，低噪声和电噪声以及易用性，可以使用或不使用转子位置传感器进行控制，采用轻量级磁场定向控制策略，可以托管在低成本微控制器上或可编程片上系统（SoC）。当与合适的电源模块和电源开关结合使用时，PSoC 3控制器可以同时管理多个电机，并集成了用于高级电机管理和监控功能的电路。