为 BLDC 电机设计高效、高性能的驱动电路

今天，人们对环境和节能的意识与以往一样高。洗衣机、干衣机和冰箱等新一代大型家用电器必须具有更高的性能参数，例如更高的效率和更低的电磁干扰。系统灵活性必须很高，以促进市场修改并缩短开发时间。设计人员必须进行所有这些改进，同时降低系统成本。

在效率和成本的推动下，无刷直流 (BLDC) 电机在家用电器中越来越受欢迎。您现在可以在洗衣机、空调、冰箱等中找到它们。与有刷直流电机和交流电机不同，BLDC 电机有多种驱动方式。每种驱动程序方法都有自己的优缺点，我们将在帖子中讨论。

BLDC 驱动器控制方法的重要性

BLDC 电机的电子换向器按顺序从 u 相到 v 相再到 w 相，并为定子线圈通电，产生旋转电场，从而“拖动”转子。高效运行依赖于线圈的精确通电，具体取决于定子和转子的相对位置。BLDC 电机使用传感器或无传感器反馈进行转子位置反馈。

在传感器设计中，三个霍尔效应传感器集成电路 (IC) 安装在电机定子附近的位置。霍尔传感器 IC 转换的时序对应于反电动势 (BEMF) 过零。在无传感器技术中，驱动器取决于电机 BEMF 零电压交叉的时间。

许多应用正在转向无传感器驱动器，因为它们消除了电机设计中的霍尔效应传感器 IC 和相关电路。BEMF 是速度的函数，其中启动时 BEMF 为零。无传感器设计需要复杂的开环启动算法，以便将电机加速到可以检测到 BEMF 的速度。霍尔换向驱动器始终检测转子位置，因此启动是可靠的，但会增加电机组件的额外成本。

电子换向有三种控制方案：

· 梯形。图 1 中所示的梯形技术为两相供电，一相为电机提供电流，另一相提供电流返回路径。第三阶段不驱动。驱动器控制三相驱动器中的哪两个开关必须被正向或负向控制，以便为两个有源线圈通电。当电机转动时，电机端子的电流每旋转 60 度就换向一次。梯形法的优点是最容易实现；缺点是这种阶梯式换向会导致转矩脉动。转矩脉动会导致速度变化，从而导致振动和可闻噪声。

图 1：梯形控制和转矩脉动

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正弦. 在实际设计中很少使用纯正弦驱动电压，因为它们不能为每个电机端子提供足够的接地电压。更好的方法是通过使用“鞍形”曲线改变相对于地的脉宽调制 (PWM) 占空比（以及驱动电压），在相之间生成正弦差分电压，偏移 120 度以进行换向（图 2） ）。产生的相电流 然后驱动电机遵循相间电压的纯正弦波变化。鞍形曲线技术有两个优点：首先，产生的最大差分电压高于纯正弦信号所能产生的电压，为给定的输入提供更高的扭矩和速度。其次，每个终端输出在三分之一的时间内为零，进一步降低了功率级的开关损耗。

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图 2：鞍座轮廓正弦控制

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磁场定向控制（FOC）。FOC 控制方法将三相交流电动机的定子电流识别为两个正交分量，可以用矢量表示（图 3）。一个分量定义了电机的磁通量；另一个分量定义扭矩。驱动器的控制系统根据驱动器速度控制给出的磁通和转矩参考值计算相应的电流分量参考值。电流比例积分 (PI) 控制方法控制驱动器的 PWM 输出。

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图 3：FOC 控制理论

分析了三种控制方法后，FOC 需要复杂的算法来跟踪电机扭矩，并且需要高性能微控制器 (MCU)。使用 BEMF 检测模拟电路很容易实现梯形控制，但会在每次换向时产生转矩脉动和噪声。正弦控制会在换向过程中计算 BEMF，但如果负载突然变化，计算将失败。表 1 比较了每种控制方法。

表 1：BLDC 电机控制方法的比较

电器具有稳定的排水泵和风扇负载，正弦控制方案因其低成本、低转矩脉动、低可听噪声和低响应时间而成为最佳选择。TI 的 DRV10987 BLDC 电机驱动器是一种单芯片正弦解决方案，适用于洗衣机排水泵和烘干机风扇中使用的 50W BLDC 电机，正弦控制可将噪声降低多达 13dB，并将效率提高多达 10% 。

DRV10987 将控制逻辑与金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 集成在一起。您可以通过模拟电压、PWM或I 2 C接口控制电机。借助 DRV10987，您可以设计外形小巧的紧凑型驱动器。

图 4 所示，详细介绍了使用 DRV10987 的闭环速度控制。

图 4：具有闭环速度控制的 24V、36W 无传感器 BLDC 电机驱动参考设计

DRV10987 还集成了完整的保护逻辑，以实现洗衣机和冰箱等电器所需的强大的电机驱动器控制方法。过流保护电路执行相间、相间和地间短路和相间短路保护。集成的电流限制逻辑可以将相电流限制在 MOSFET 的峰值电流能力 (3A) 内。转子锁定检测具有快速准确的方法来检测丢失位置和转子锁定情况。抗电压浪涌（AVS）、过压和欠压保护可以防止芯片因直流总线故障而损坏。对于稳健的系统设计，集成热保护可以防止芯片因过热而损坏。