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无刷直流电机

无刷直流电机概述

无刷直流 (BLDC) 电机可以想象成与刷式直流电机截然相反,其中永久磁性在转子上,而绕线在定子上。因此,该电机没有刷子和换向器,消除了与刷式直流电机产生火花相关的劣势。
该电机被称为直流电机,是因为其线圈通过直流电源驱动,而直流电源是按预定顺序的形式应用到不同的定子线圈。这一过程称为换向。但是,BLDC 并不恰当,因为该电机实际上属于交流电机。在电路循环过程中,每个线圈中的电流正负交替。定子一般是凸极结构,旨在产生梯形反电动势波形,尽可能符合所应用的换向电压波形。但是实际上很难做到,产生的反电动势波形通常更像正弦,而非梯形。因此,PMSM 电机使用的许多控制技术(如场定向控制)同样适用于 BLDC 电机。
BLDC 电机的另一个误解是关于其如何驱动。不同于开环步进应用中驱动的定子线圈决定转子位置,在 BLDC 电机中,转子位置决定要驱动哪个定子线圈。定子磁通矢量位置必须与转子磁通矢量位置保持同步(而非相反),以使电机操作顺畅。要实现这一目的,需要了解转子位置来确定要驱动的定子线圈。现有多种技术可实现这一目的,但最常用的技术是使用霍尔效应传感器监控转子位置。遗憾的是,这些传感器及其相关连接器和线束会增加系统成本,并降低可靠性。
为减少这些问题,已有多种技术开发出来用于消除这些传感器,进而实现无传感器操作。多数技术依靠在电机旋转时,从定子绕线的反电动势波形中提取位置信息。但是,依靠反电动势传感的技术在电机旋转缓慢或静止时便无用武之地,因为此时反电动势波形很弱或根本不存在。因此,我们不断开发新技术,以在低转速或零转速时从其它信号中获取转子位置信息。
BLDC 电机在效率额定值方面占绝对优势,一般可达到 95% 左右。当前对新非晶合金材料的研究正在将这一数字推向新高。已有报道称 100W 范围内效率为 96%BLDC 电机还在争夺世界最快电机之称,部分电机速度可达到数十万 RPM(其中一项应用中已报道 400K RPM)。
最常用的 BLDC 电机拓扑使用 3 相定子结构。因此,标准的 6 晶体管反向器是最常用的功率级,如图所示。根据运行要求(含传感器与无传感器、换向与正弦、PWM SVM 等),有很多方法可驱动晶体管来达到所需目标,不胜枚举。这对一般位于微处理器中的 PWM 发生器的灵活性提出了极高要求。好消息是,TI 的电机控制处理器可轻松满足这些要求。

选型表

品牌 芯片型号 控制方式 I有效值 I峰值 V最小值 V最大值 可驱动电机个数 封装形式 状态
TI DRV8312 PWM 3.5 6.5 0 52.5 1 44HTSSOP 量产
TI DRV8332 PWM 8 13 0 52.5 1 36HSSOP 量产
TI DRV8301 PWM NA NA 0 60 1 56HTSSOP 预产

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