無刷直流 (BLDC) 電機(jī)在各種各樣的應(yīng)用中廣受青睞，如計(jì)算機(jī)冷卻風(fēng)扇、磁盤驅(qū)動(dòng)器、無線電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車以及電唱機(jī)轉(zhuǎn)盤。 隨著價(jià)格持續(xù)下降，電機(jī)將得到甚至更廣泛的應(yīng)用，對成本最為敏感的應(yīng)用則另當(dāng)別論。 然而，隨著需求的增加，人們也越來越多地要求 BLDC 電機(jī)運(yùn)行更平滑、更高效、更安靜。
雖然正弦控制是達(dá)到這些目標(biāo)的最佳方式，但相對于更為傳統(tǒng)的梯形控制技術(shù)，這種控制則會(huì)增加成本和復(fù)雜性。 本文將討論 BLDC 電機(jī)控制的基本原理，以及使用正弦控制而不是梯形控制的原因。 本文還將介紹一些現(xiàn)成的商業(yè)解決方案，包括集成式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器芯片等形式，這些方案可用于更加輕松地過渡到正弦控制并加快設(shè)計(jì)流程。
BLDC 電機(jī)基本原理
BLDC 電機(jī)通過反向電機(jī)設(shè)置消除了使用機(jī)械換向器的要求；繞組成為定子，永磁體成為轉(zhuǎn)子的一部分。 繞組通常由使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制的六 MOSFET 電橋供電，它們按照控制次序進(jìn)行轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而“拖拽”圍繞它的轉(zhuǎn)子并驅(qū)動(dòng)相連的負(fù)載（圖 1）。
圖 1： BLDC 電機(jī)的供電方式是通過使用 PWM 信號順次激勵(lì)繞組。 PWM 信號的占空比與驅(qū)動(dòng)電壓成比例。 在本圖中，“U”、“V”和“W”是繞組，“HA”、“HB”和“HC”是位置感應(yīng)霍爾效應(yīng)傳感器。 （圖片來源： ON Semiconductor/Fairchild）
換向由轉(zhuǎn)子和定子的相對位置確定，具體則通過霍爾效應(yīng)傳感器測量，或通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)生成的反電動(dòng)勢 (EMF) 幅度測量（限無傳感器電機(jī)）。
目前有三種電子換向控制方案：梯形、正弦和磁場定向控制 (FOC)。 FOC 實(shí)現(xiàn)成本高，專用于高端應(yīng)用，因此本文不做討論。
對于許多應(yīng)用，梯形控制的 BLDC 電機(jī)是最佳解決方案。 這類電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠，且價(jià)格也在迅速下降，因此尤其適合許多小型電機(jī)應(yīng)用，包括汽車、白色家電和計(jì)算機(jī)。
此外，梯形技術(shù)最容易實(shí)現(xiàn)，因此也最受歡迎。 電機(jī)每相由直流供電，每 60? 進(jìn)行換向。 相位驅(qū)動(dòng)為“高”、“低”或保持浮動(dòng)狀態(tài)。
理論上，這樣的系統(tǒng)可產(chǎn)生平滑、恒定扭矩。 實(shí)際上，特定相位的電流不可能瞬間由低轉(zhuǎn)為高。 相反，所導(dǎo)致的上升時(shí)間在輸出中生成與轉(zhuǎn)向定時(shí)一致的波紋（圖 2）。
圖 2： 使用梯形控制的三相 BLDC 電機(jī)的電波形。 請注意，發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)每個(gè)相位的驅(qū)動(dòng)電流輕微下降。 這會(huì)引起電機(jī)扭矩中的波紋。 虛線記錄了每個(gè)相位中反電動(dòng)勢的梯形圖，其中過零點(diǎn)與相位的浮動(dòng)周期中間點(diǎn)重合。 （圖片來源：Texas Instruments）
轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不是梯形控制 BLDC 電機(jī)的唯一缺點(diǎn)。 另一個(gè)缺點(diǎn)是電氣和聲學(xué)噪聲。 一個(gè)重要的噪聲來源就是為每個(gè)相位供電的快速切換直流電流。 從電氣角度來說，這種噪聲會(huì)加熱繞組并降低效能。 從聲學(xué)角度來說，開關(guān)頻率及其諧波產(chǎn)生的“嗡嗡”聲音頻率雖然不是很大，但十分刺耳。
（有關(guān) BLDC 電機(jī)運(yùn)行和梯形控制方案的詳細(xì)信息，請參閱資料庫文章《如何對無刷直流電機(jī)進(jìn)行供電和控制》。）
實(shí)施正弦控制
正弦控制十分復(fù)雜，很少有工程師可以僅借用基本原理就實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。 一個(gè)更好的方法就是利用芯片供應(yīng)商的知識和 BLDC 電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)套件。 NXP 的 FRDM-KE04Z 就是一個(gè)例子。
它利用 Kinetis KE04 ARM? Cortex?-M0 MCU 運(yùn)行正弦算法。 由于控制電路設(shè)計(jì)基于一種普通的 BLDC 驅(qū)動(dòng)器芯片，因此進(jìn)一步減輕了實(shí)現(xiàn)難度。 這些設(shè)備通常將 PWM 控制和電力電子器件集成到一個(gè)芯片，并提供外部 MCU 的接口。 其他設(shè)備集成 MCU，僅需一些額外的無源元器件就可以形成完整電路。
正弦替代方式：“鞍形”圖
實(shí)踐中極少使用純正弦驅(qū)動(dòng)電壓，因?yàn)橄鄬τ诮拥囟裕瑸槊總€(gè)電機(jī)端子生成電壓的效率很低。 一個(gè)更好的方法就是在相位間生成正弦差分電壓，相位偏移 120? 進(jìn)行換向。 實(shí)現(xiàn)方式是通過使用“鞍形”圖（而不是正弦）改變相對于接地的 PWM 占空比（以及驅(qū)動(dòng)電壓）（圖 3）。 隨后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相電流就遵循相間電壓的純正弦波變化。
圖 3： 實(shí)際正弦控制實(shí)現(xiàn)不使用純正弦波電壓驅(qū)動(dòng)每個(gè)相位。 相反，使用鞍形電壓會(huì)在兩個(gè)端子之間產(chǎn)生正弦波差分電壓，相位偏移 120? 進(jìn)行換向。 這樣，給定電壓下的扭矩和速度會(huì)更大，效能也得到提升。 （圖片來源：NXP）
鞍形圖方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 第一，所產(chǎn)生的最大差分電壓要高于純正弦信號所能產(chǎn)生的電壓，因而給定輸入的扭矩和速度也更大。 第二，每個(gè)端子 1/3 時(shí)間輸出為零，進(jìn)一步減少了功率級中的開關(guān)損耗。
正弦控制方法的一個(gè)復(fù)雜之處在于：根據(jù)形成鞍形電壓輸入所必需的電機(jī)角度來精確控制占空比。 這在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)甚至變得更加困難。 挑戰(zhàn)主要在于每轉(zhuǎn)只能精確確定電機(jī)位置六次，而轉(zhuǎn)子的其中一個(gè)磁極經(jīng)過三個(gè)霍爾傳感器中的一個(gè)。 例如，F(xiàn)RDM-KE04Z 常用的解決方案是將電機(jī)角速度乘以 ?T 并假定電機(jī)速度恒定，從而估算霍爾傳感器之間的電機(jī)角度 (“mtrAngle”)。
然后使用查詢表確定特定角度的 PWM 占空比。 在 FRDM-KE04Z 中，查詢表為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的每個(gè)角度（實(shí)際 384 個(gè)增量）提供占空比。
下面的代碼片段說明了 FRDM-KE04Z 如何計(jì)算角度（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）1：
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deltaAngle = F32Add(deltaAngle,F32Abs(velocityAct));
if (deltaAngle >= DELTANGLE_MAX) //limit deltaAngle range into
{ [0,64]
deltaAngle = DELTANGLE_MAX;
}
mtrAngle = HallTableCW[motorPosition];
mtrAngle += (tU16)((deltaAngle) >> 12);
mtrAngle += (tU16)advanceAngle;
if (mtrAngle >= 384)
{
mtrAngle -= 384;
}
計(jì)算電機(jī)角度后，可使用下列代碼（可訪問查詢表）計(jì)算占空比：
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dutyCycleU16A = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle]) >> 8);
if (mtrAngle < 128)
{
dutyCycleU16B = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle + 256]) >> 8);
}
else
{
dutyCycleU16B = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle - 128]) >> 8);
}
if (mtrAngle >= 256)
{
dutyCycleU16C = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle -256]) >> 8);
}
else
{
dutyCycleU16C = (Frac16)(((Frac16)dutyCycleU16 * (Frac16)SinusoidalWaveTable[mtrAngle + 128]) >> 8);
}
代碼列表： 所需代碼，用于計(jì)算 FRDM-KE04Z 開發(fā)套件的電機(jī)角度和 PWM 占空比。 （代碼來源： NXP）
此類方法利用了使用鞍形圖的附帶影響。 特別說明：由于特定相位的電壓值在三分之一時(shí)間內(nèi)為零，這段時(shí)間不需要查詢，因而需要的處理器資源更少，并允許在應(yīng)用中使用更普通的低成本 MCU。
這種方法的缺點(diǎn)是啟動(dòng)階段電機(jī)快速加速時(shí)，霍爾傳感器之間的電機(jī)速度插值很可能不精確。 這會(huì)導(dǎo)致扭矩響應(yīng)不平穩(wěn)。
針對這一問題，ROHM Semiconductor 的 BD62011FS 風(fēng)扇電機(jī)控制器采用的一種常見解決方案是：以梯形控制模式啟動(dòng)電機(jī)，在達(dá)到特定速度（通常 5 - 100 Hz）后切換到正弦控制，此時(shí)插值的精確度更高。
Rohm 的設(shè)備主要針對配備霍爾傳感器的 BLDC 電機(jī)的控制。 芯片采用高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET 的 PWM 控制和正弦換向邏輯。 它可在 10 到 18 V 輸入范圍內(nèi)運(yùn)行，并提供介于 2.1 和 5.4 V（最高 1 W）的輸出范圍。 目標(biāo)應(yīng)用包括空調(diào)、水泵和白色家電。
另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是給定相位驅(qū)動(dòng)電壓和產(chǎn)生的正弦波電流之間的相位延遲，通常發(fā)生于非補(bǔ)償型 BLDC 電機(jī)。 電機(jī)可正常運(yùn)行，但效能將降低，這會(huì)首先挫敗實(shí)現(xiàn)正弦控制方案的目標(biāo)。 這種效能低下的原因不是驅(qū)動(dòng)電壓和相位電流之間的相位延遲，而是相位電流和正弦反電動(dòng)勢之間的相位延遲。
幸運(yùn)的是，許多驅(qū)動(dòng)芯片，包括 ON Semiconductor 的 LV8811G 功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，允許設(shè)計(jì)人員在正弦驅(qū)動(dòng)電流中引入超前相角，從而確保其峰值與反電動(dòng)勢的峰值一致。 超前相角通常設(shè)為隨輸入電壓線性增加，而電壓決定電機(jī)速度（圖 4）。
圖 4： 在非補(bǔ)償正弦控制 BLDC 電機(jī)中，相位電流延遲反電動(dòng)勢，造成了效能低下（上圖）。 許多驅(qū)動(dòng)器芯片包括超前相角，這允許設(shè)計(jì)人員卻定電流相位，使其與反電動(dòng)勢保持一致（下圖）。 （圖片來源： ON Semiconductor/Fairchild）
LV8811G 是三相 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由單個(gè)霍爾傳感器控制并采用正弦控制。 直接 PWM 脈沖輸入或直流電壓輸入都可用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。
使用 LV118811G 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可通過引腳 PH1 和 PH2 上的分壓電阻器來設(shè)置初始條件：相角開始超前的速度和超前相角斜坡的梯度。 之后芯片的內(nèi)部邏輯根據(jù)預(yù)定公式確定給定速度的超前相角。
無傳感器 BLDC 正弦控制
正弦控制還可通過無傳感器的 BLDC 電機(jī)實(shí)現(xiàn)。 這些電機(jī)的運(yùn)行方式與使用霍爾效應(yīng)傳感器的電機(jī)相似，除了位置信息是通過測量反電動(dòng)勢獲得。 （有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱資料庫文章《通過反電動(dòng)勢控制無傳感器的 BLDC 電機(jī)》。）
例如，Texas Instruments 的 DRV10983 就是設(shè)計(jì)用于無傳感器的 BLDC 電機(jī)的正弦控制。 芯片集成電力電子器件，可以連接外部 MCU 并提供高達(dá) 2 A 的連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流。正弦控制通過使用公司的專有控制方案來實(shí)現(xiàn)。
在該方案中，換向控制算法連續(xù)測量電機(jī)相電流并定期測量供電電壓。 然后，設(shè)備使用該信息計(jì)算反電動(dòng)勢和電機(jī)位置。 電機(jī)速度由單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)相位的反電動(dòng)勢的過零次數(shù)確定。 芯片還允許超前相角，以調(diào)整相電流和反電動(dòng)勢，從而實(shí)現(xiàn)最大效能。
DRV10983 是專門設(shè)計(jì)用于成本敏感、低噪聲、低外部元器件計(jì)數(shù)的應(yīng)用（圖 5）。
圖 5： Texas Instruments 的 DRV10983 使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建一個(gè)正弦控制的 BLDC 電機(jī)系統(tǒng)，其中包括低成本的 MCU 和一小部分的無源元器件。 （示意圖使用 Digi-Key Scheme-it? 繪制，原圖來自 Texas Instruments）
總結(jié)
BLDC 電機(jī)由于性能和可靠性的優(yōu)勢，正逐漸成為傳統(tǒng)有刷型電機(jī)的替代產(chǎn)品。 對于許多應(yīng)用，梯形控制可滿足使用預(yù)期，但如果設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是提高效能、減少電氣和聲學(xué)噪聲并提高扭矩傳遞，則應(yīng)考慮正弦控制。
雖然正弦控制增加了復(fù)雜度和成本，但開發(fā)工具、功能性 MCU 以及集成驅(qū)動(dòng)器 IC 已大大簡化了設(shè)計(jì)流程，使正弦控制更加實(shí)用簡單。 不僅如此，開發(fā)工具的靈活性和驅(qū)動(dòng)器 IC 的適應(yīng)性使設(shè)計(jì)人員能夠精調(diào)應(yīng)用的電機(jī)，并更多關(guān)注產(chǎn)品差異化方面。
參考資料：
“Sinusoidal Control of BLDCM with Hall Sensors based on FRDM-KE04Z and Tower Board,” Liu Zhen, Freescale Semiconductor Application Note (AN4869), March 2014.
“Development of Sinusoidal BLDC Drive with Hall Sensors,” Joon Sung Parka et al, Korea Electronics Technology Institute, 2016.
