無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)在汽車（尤其是電動(dòng)汽車 (EV)）、HVAC、白色家電和工業(yè)等領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樗饤壛藗鹘y(tǒng)電機(jī)所使用的機(jī)械換向器，用能提高裝置可靠性與耐用性的電子器件取而代之。
BLDC 電機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在保持同等功率輸出的情況下，可以比有刷型做得更小、更輕，特別適合空間受限型應(yīng)用。
劣勢(shì)是 BLDC 電機(jī)必須要使用電子管理系統(tǒng)才能運(yùn)行。例如，需要使用微控制器（借助傳感器的輸入來(lái)指示轉(zhuǎn)子位置）在正確的時(shí)刻激勵(lì)定子線圈。精確的定時(shí)功能可以實(shí)現(xiàn)精確的速度和扭矩控制，還可確保電機(jī)以峰值能效運(yùn)行。
本文闡述了 BLDC 電機(jī)的基本運(yùn)行知識(shí)以及控制三相裝置的典型控制電路。此外，本文還介紹了一些專為 BLDC 電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的集成模塊，設(shè)計(jì)人員可選用這些模塊來(lái)簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。
無(wú)刷方式的優(yōu)勢(shì)
傳統(tǒng)電機(jī)的電刷可將電力輸送到轉(zhuǎn)子繞組，繞組在激勵(lì)后會(huì)形成固定磁場(chǎng)。固定電刷與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)金屬觸頭之間的摩擦?xí)斐赡p。此外，由于電刷與金屬觸頭接觸不良和電弧放電，也可能導(dǎo)致功率損耗。
由于 BLDC 電機(jī)摒棄了電刷，代之以“電子換向器”，因此消除了這種磨損和功率損耗來(lái)源，進(jìn)而提升了電機(jī)的可靠性和能效。除此之外，與有刷直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)相比，BLDC 電機(jī)還擁有其他多種優(yōu)勢(shì)，包括更好的速度比扭矩特性、更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、無(wú)噪聲操作以及更高的速度范圍。1
另外，其輸出扭矩相對(duì)于電機(jī)尺寸的比率更高，因而非常適合洗衣機(jī)和電動(dòng)汽車等應(yīng)用。這些應(yīng)用需要高功率，但也將緊湊性和輕量性視為關(guān)鍵因素。（然而，應(yīng)該注意的是有刷直流電機(jī)有更高的起動(dòng)扭矩。）
BLDC 電機(jī)屬于“同步”型設(shè)備，因?yàn)檗D(zhuǎn)子與定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以相同的頻率旋轉(zhuǎn)。這種布置的一個(gè)好處是 BLDC 電機(jī)不會(huì)經(jīng)歷感應(yīng)電機(jī)通常會(huì)發(fā)生的“打滑”情況。
該電機(jī)可分為單相、雙相或三相類型，其中三相是最常用的，也是本文要探討的類型。
BLDC 電機(jī)的定子由鋼片組成且采用軸向開槽，可沿著內(nèi)部圓柱面容納偶數(shù)個(gè)繞組（圖 1）。雖然 BLDC 電機(jī)的定子類似于感應(yīng)電機(jī)的定子，但繞組的分布方式有所不同。
圖 1：BLDC 電機(jī)定子，顯示了開槽鋼環(huán)以及軸向繞組。（圖片由 Microchip 友情提供。）
轉(zhuǎn)子采用永久磁體制造，具有兩到八個(gè) N-S 磁極對(duì)。增加磁體對(duì)可提高扭矩，消除所謂的扭矩波動(dòng)，從而讓電機(jī)的功率輸送更加均衡。缺點(diǎn)則是控制系統(tǒng)更加復(fù)雜、成本提高且最高速度降低。
過(guò)去，業(yè)界使用鐵氧體磁性材料制造永久磁體，但現(xiàn)代工廠傾向于使用稀土磁性材料。盡管這些磁性材料更加昂貴，但它們可以產(chǎn)生更大的磁通密度，用更小的轉(zhuǎn)子達(dá)到給定扭矩。這些高強(qiáng)度磁性材料的使用是 BLDC 電機(jī)比同尺寸的有刷直流電機(jī)輸出更高功率的一個(gè)重要原因。
如需詳細(xì)了解 BLDC 電機(jī)的構(gòu)造和運(yùn)行信息，請(qǐng)參考 Microchip Technology 發(fā)布的相關(guān)應(yīng)用說(shuō)明 (AN885)。2
基本運(yùn)行知識(shí)
BLDC 電機(jī)的電子換向器會(huì)依序激勵(lì)定子線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，從而“拖拽”轉(zhuǎn)子隨之旋轉(zhuǎn)。N 次“電子轉(zhuǎn)動(dòng)”相當(dāng)于一次機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，其中 N 表示磁體對(duì)數(shù)量。
對(duì)于三相電機(jī)，定子中會(huì)嵌有三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，向控制器指示定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，從而確保其在正確的時(shí)間按照正確的順序激勵(lì)繞組。霍爾傳感器通常安裝在設(shè)備的非驅(qū)動(dòng)端（圖 2）。
圖 2：霍爾傳感器內(nèi)嵌在 BLDC 電機(jī)的定子中，用于確定繞組的激勵(lì)順序。（圖片由 Microchip 友情提供。）
當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高強(qiáng)度（對(duì)于一個(gè)磁極）或低強(qiáng)度（對(duì)于相對(duì)磁極）信號(hào)。具體的換向順序可通過(guò)結(jié)合這三個(gè)傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)加以確定，具體如下所述。
所有電機(jī)均會(huì)由于繞組通過(guò)相關(guān)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電壓電位。這種電位稱為電動(dòng)勢(shì) (EMF)，而且，根據(jù)楞次定律，它會(huì)在繞組中產(chǎn)生電流，而其磁場(chǎng)會(huì)抗拒磁通量的原始變化。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這意味著電動(dòng)勢(shì)傾向于抵抗電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，因此又稱為“反”電動(dòng)勢(shì)。在既定電機(jī)磁通量和繞組數(shù)固定的情況下，電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子的角速度成正比。
不過(guò)，反電動(dòng)勢(shì)固然會(huì)對(duì)電機(jī)造成一些“拖累”，但也存在有益之處。通過(guò)監(jiān)控反電動(dòng)勢(shì)，微控制器可以在無(wú)需使用霍爾效應(yīng)傳感器的情況下，確定定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置。這可以簡(jiǎn)化電機(jī)構(gòu)造、降低成本，同時(shí)省去因支持傳感器而進(jìn)行的額外電機(jī)連線和連接，進(jìn)而在有灰塵和濕氣的環(huán)境下提高其可靠性。
然而，固定式電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，因此微控制器無(wú)法在啟動(dòng)時(shí)確定電機(jī)元器件的位置。解決方法就是在開環(huán)配置方式下啟動(dòng)電機(jī)，直到產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)足以供微控制器開啟電機(jī)監(jiān)控。這些稱作“無(wú)傳感器”的 BLDC 電機(jī)越來(lái)越受歡迎。
控制 BLDC 電機(jī)
雖然 BLDC 電機(jī)在機(jī)械上相對(duì)簡(jiǎn)單，但它們需要更復(fù)雜的電子控制器件和穩(wěn)壓電源。設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)就是：提供能夠通過(guò)精確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行的三相高功率系統(tǒng)。
圖 3 顯示了驅(qū)動(dòng)采用霍爾效應(yīng)傳感器的 BLDC 電機(jī)的典型布局。（有關(guān)使用反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量值來(lái)控制無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)的內(nèi)容將在以后的文章中介紹。）在該系統(tǒng)中，電機(jī)的三個(gè)線圈呈“Y”形排列，另外還有一個(gè) Microchip PIC18F2431 微控制器、一個(gè)絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 驅(qū)動(dòng)器以及一個(gè)由六個(gè) IGBT 組成的三相逆變器（亦可使用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 實(shí)現(xiàn)高功率開關(guān)功能）。微控制器的輸出（由 IGBT 驅(qū)動(dòng)器鏡像）含有脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)，可確定線圈的平均電壓和平均電流（進(jìn)而確定電機(jī)的速度和扭矩）。電機(jī)使用了三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器（A、B 和 C）來(lái)指示轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)子本身則使用兩對(duì)永久磁體產(chǎn)生磁通量。
圖 3：采用 8 位微控制器的 BDLC 電源控制系統(tǒng)。（圖片由 Microchip 友情提供。）
該系統(tǒng)采用六步換向序列實(shí)現(xiàn)每次電子轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電機(jī)具有兩對(duì)磁體，因此需要兩次電子轉(zhuǎn)動(dòng)才可轉(zhuǎn)動(dòng)一次電機(jī)。
圖 4 顯示了與圖 3 電機(jī)相同的線圈布局（此次標(biāo)記為 U、V 和 W）以及每步的電流（共六步），圖 5 顯示了后續(xù)的霍爾效應(yīng)傳感器輸出和線圈電壓。
圖 4：三相 BLDC 電機(jī)一次電子轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈激勵(lì)順序。（圖片由 Atmel 友情提供。）
圖 5：霍爾效應(yīng)傳感器的狀態(tài)決定了何時(shí)及如何激勵(lì)線圈。每個(gè)線圈皆連接一對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器。（圖片由 Atmel 友情提供。）
一對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器決定了微控制器何時(shí)激勵(lì)線圈。在本例中，傳感器 H1 和 H2 決定線圈 U 的開關(guān)。當(dāng) H2 檢測(cè)到 N 磁極時(shí)，線圈 U 將正向激勵(lì)；當(dāng) H1 檢測(cè)到 N 磁極時(shí)，線圈 U 將斷開；當(dāng) H2 檢測(cè)到 S 磁極時(shí)，線圈 U 將反向閉合，最后，當(dāng) H1 檢測(cè)到 S 磁極時(shí)，線圈 U 再次斷開。同樣地，傳感器 H2 和 H3 決定線圈 V 的激勵(lì)，而傳感器 H1 和 H3 決定線圈 W 的激勵(lì)。
在每一步中，有兩個(gè)相位閉合，一個(gè)相位將電流饋送給電機(jī)，另一個(gè)相位形成電流返回路徑。還有一個(gè)相位處于斷開狀態(tài)。微處理器可控制必須閉合三相逆變器中的哪兩個(gè)開關(guān)，以正向或反向激勵(lì)兩個(gè)有源線圈。例如，閉合圖 3 中的 Q1 將正向激勵(lì)線圈 A，閉合 Q2 將反向激勵(lì)線圈 B 以提供返回路徑。線圈 C 保持打開狀態(tài)。
在設(shè)計(jì)全尺寸電機(jī)之前，設(shè)計(jì)人員可以使用基于 8 位微控制器的開發(fā)套件來(lái)測(cè)試控制機(jī)制。例如，Atmel 為 BLDC 電機(jī)控制器生產(chǎn)了一種基于 ATxmega128A1 8 位微控制器的平價(jià)入門級(jí)套件 ATAVRMC323。4 其他幾家供應(yīng)商也提供類似的套件。
驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)
盡管 8 位微控制器結(jié)合三相逆變器是一個(gè)好的開端，但還不足以構(gòu)建一個(gè)完整的 BLDC 電機(jī)控制系統(tǒng)。要構(gòu)建這一系統(tǒng)，必須使用穩(wěn)壓電源來(lái)驅(qū)動(dòng) IGBT 或 MOSFET（圖 3 所示的“IGBT 驅(qū)動(dòng)器”）。幸運(yùn)的是，幾家主流半導(dǎo)體供應(yīng)商均為此設(shè)計(jì)了集成驅(qū)動(dòng)器芯片，能夠輕松實(shí)現(xiàn)構(gòu)建。
這些器件通常由降壓轉(zhuǎn)換器（旨在給微處理器供電以及滿足其他系統(tǒng)功率要求）、柵極驅(qū)動(dòng)器控制及故障處理裝置以及一些定時(shí)和控制邏輯組成。Texas Instruments 的 DRV8301 三相前級(jí)驅(qū)動(dòng)器就是一個(gè)很好的例子（圖 6）。
圖 6：Texas Instruments 的 DRV8301 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)封裝中集成了降壓穩(wěn)壓器、柵極驅(qū)動(dòng)器和控制邏輯。
該前級(jí)驅(qū)動(dòng)器支持高達(dá) 2.3 A 的灌入峰值電流和 1.7 A 的拉出峰值電流，并且僅需要一個(gè)輸入電壓為 8 V 到 60 V 的電源。當(dāng)高壓側(cè)或低壓側(cè) IGBT 或 MOSFET 發(fā)生切換以防止電流貫通時(shí)，該器件將使用自動(dòng)握手模式。
ON Semiconductor 提供類似芯片 LB11696V。對(duì)于這款芯片，可通過(guò)在輸出電路中加裝分立晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)具有所需輸出功率（電壓和電流）的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路。此外，該芯片還提供了全套保護(hù)電路，因此適用于需要高可靠性的應(yīng)用。此款器件專為大型 BLDC 電機(jī)而設(shè)計(jì)，例如空調(diào)和即熱型熱水器的電機(jī)。
總結(jié)
與傳統(tǒng)電機(jī)相比，BLDC 電機(jī)具有多種優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)需在電機(jī)中使用電刷，因此不會(huì)發(fā)生因使用機(jī)械零件而導(dǎo)致的效率下降、磨損老化或?yàn)?zāi)難性故障。此外，高強(qiáng)度稀土磁性材料的開發(fā)能夠讓生產(chǎn)的 BLDC 電機(jī)輸出與有刷電機(jī)相同的功率，但占用的空間更小。
一個(gè)明顯缺點(diǎn)就是，BLDC 電機(jī)與有刷類型不同，需要使用電子系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控線圈的激勵(lì)順序以及提供其他控制功能。若沒(méi)有電子系統(tǒng)，電機(jī)將無(wú)法運(yùn)行。
然而，隨著便宜耐用、專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的電子器件的普及，電路設(shè)計(jì)也變得相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜。事實(shí)上，BLDC 電機(jī)可以借助普通的三相正弦波或方波生成器以基本配置運(yùn)行，甚至無(wú)需使用微控制器。例如，F(xiàn)airchild Semiconductor 就為這種應(yīng)用開發(fā)了 FCM8201 芯片，并發(fā)布了相關(guān)的應(yīng)用說(shuō)明。5
類似地，ON Semiconductor 的 MC33033 BLDC 電機(jī)控制器也在芯片上集成了轉(zhuǎn)子位置解碼器，因此無(wú)需使用微控制器即可構(gòu)建完整的系統(tǒng)。該器件可用于控制三相或四相 BLDC 電機(jī)。
然而，采用 8 位微控制器（通過(guò)出廠提供的代碼或開發(fā)人員自己的軟件進(jìn)行編程）給控制系統(tǒng)增加的成本非常小，但卻能為用戶提供非常出色的電機(jī)控制功能。它不僅能提供更精確的位置、速度或扭矩輸出，還能確保電機(jī)以最佳能效運(yùn)行。
參考資料：
“Brushless DC Motor Primer,” Muhammad Mubeen, July 2008.
“Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN885, 2003.
“Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC Motor Control,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology application note AN970, 2005.
“AVR1607: Brushless DC Motor (BLDC) Control in Sensor mode using ATxmega128A1 and ATAVRMC323,” Atmel application note, 2010.
“FCM8201 Three-Phase Sine-Wave BLDC Motor Controller,” Fairchild Semiconductor application note AN-8201, 2011.
