使用逐周期电流限制控制保护我们的 BLDC 电机驱动器 – 第 1 部分

无刷直流 (BLDC) 电机因其高效率、高扭矩重量比、低维护和长寿命而广受欢迎。三相无刷直流电机由三相绕线定子和带有永磁体的转子组成。BLDC 电机中没有电刷，因此需要使用电子驱动器来正确换向电机绕组中的电流。

BLDC 电机最常见的电力电子驱动器是三相 H 桥逆变器。电机绕组电流根据位置传感器反馈或无传感器算法进行换向。BLDC 电机由 120 度梯形控制驱动，其中一次只有两个绕组导通。绕组电流由单极开关(软斩波)控制，三相逆变器的每个开关在此处导通 120 度电周期。使用公式 1 中给出的电机电气模型计算任意时刻 BLDC 电机的绕组电流。

其中 V 是施加在两个导电绕组上的电压，R 是线间电机绕组电阻，L 是线间电机绕组电感，E 是线间反电动势(电磁场)。

等式 1 表明瞬时绕组电流取决于反电动势、电机电阻、电感和施加电压。电机的反电动势与其角速度成正比;因此在失速条件(零速度)下，反电动势为零。这意味着当电机停转时，电机绕组中的稳态电流仅受电机电阻的限制。当电机在高(过)电流下饱和时，电感下降，电流上升甚至比标称电流水平更快。

考虑一个额定功率为 400W、额定直流电压为 220V 和额定 RMS 绕组电流为 3.6A 的 BLDC 电机的示例。电机的绕组电阻约为 6Ω。因此失速电流 = V/R = 220V/6Ω = 36.67A。这意味着，如果我们没有适当的限流保护，则逆变器级的额定电流必须为 36.67A。

如果允许电机驱动系统承载失速电流：

· 逆变器级必须额定承载失速电流，这使得逆变器级体积庞大且成本高昂。

· 让电机绕组长时间承载失速电流会使电机过热。这可能会导致绕组烧毁。此外，永磁体可能会因高温或高退磁电流而退磁。

如果我们针对额定电流设计电机驱动系统，则需要适当的绕组过流保护来保护逆变器级和电机。要实现绕组过流保护，第一步是检测绕组电流。

理想情况下，我们可以通过将电流传感器与所有相串联或在所有逆变器支路中放置电流传感器来测量三相绕组电流。或者，我们可以感测两个相电流并通过将所有相电流的代数和设为零来确定第三相电流。

在 BLDC 电机的梯形控制期间，对于每个 60 度电气换向周期，只有两个逆变器支路处于活动状态并为电机供电;通过同时关闭高侧和低侧开关，第三个逆变器支路保持在高阻抗状态。任何时候都只有两个阶段开启。这意味着我们可以通过感测直流母线电流来测量绕组电流。我们可以在直流总线返回处放置一个低成本检测电阻器来检测电机电流，如图 1 所示。

对于单极二象限驱动，仅将脉宽调制 (PWM) 应用于一个有源桥臂的高侧开关。在整个 60 度电气换向期间，另一个有源腿的低侧开关将保持打开状态。

考虑一个换相期，其中 A 和 B 相处于活动状态。当顶部开关打开时，两相绕组将通电。当顶部和底部开关打开时，直流母线电流与绕组电流相同。当顶部 PWM 为低电平时，顶部开关关闭，绕组电流将通过 Q2 的二极管续流。在此续流期间(顶部开关关闭而底部开关打开)，绕组电流不流过直流母线;因此直流母线电流为零。续流期间电流不增加，而是减少。这表明直流母线电流测量足以提供绕组过流保护。

从我到目前为止的解释中，我们可以看到可以通过感测直流母线电流来控制电机绕组电流。我们可以通过检测直流母线电流并针对标称电机电流设计逆变器，而不是针对失速电流进行过度设计，从而实现峰值电流限制控制。对于低电感 BLDC 电机(通常从几个微亨到几十毫亨)，较高的绕组电阻电感比会导致较高的绕组电流上升率。限流保护必须快速(远低于 1µs)并在每个 PWM 周期起作用以避免任何短电流尖峰。

在第 2 部分中， 我将讨论如何通过检测直流总线电流和使用超低功耗微控制器来实现逐周期过流保护。