走向绿色低碳：使用高效的无刷直流电机成为趋势

近年来，在许多市场和应用中出现了使用效率更高的无刷直流 (BLDC) 电机的趋势。许多应用正在使用(或可能使用)这些电机来代替交流感应电机。

使用 BLDC 电机的一些主要优势包括更高的效率(75% 对 40%)、更少的热量产生、更高的可靠性(无刷磨损)和更安全的操作(无刷尘或电弧产生)。在关键子系统中使用这些电机还可以减轻整个系统的重量。

而且由于 BLDC 电机是完全电子换向的，因此在更高的速度下控制扭矩和转速要容易得多。

仔细观察

BLDC 电机是同步电机，其转子集成有永磁体。与交流感应电动机一样，它们在定子中有线圈绕组。绕组在定子极片上产生磁场，这些磁场可以旋转(见左图)。电气端子直接连接到定子绕组，因此转子没有电刷或机械触点。

这些电机使用直流电源和开关电路在定子绕组上产生双向电流。开关电路由每个绕组的高边和低边开关组成。一个 BLDC 电机总共需要六个开关。这种切换动作导致定子的磁场旋转。

由于成本、可靠性和尺寸问题，当前的电机设计使用固态开关(例如 MOSFET 或 IGBTS)而不是继电器，具体取决于电机的电压和速度。开关电流产生适当的磁场极性，它吸引相反的极性并排斥相同的极性。磁力使转子旋转。在转子上使用永磁体具有减小尺寸和重量的机械优势。与有刷电机和感应电机相比，BLDC 电机具有更好的热特性，使其成为下一代节能机械系统的理想选择。

BLDC 电机通常使用三相(绕组)，每相的导通间隔为 120 度。

由于电流是双向的，每相在每个导通间隔分为两步。这称为六步换相。一种换相相序选项是 AB-AC-BC-BA-CA-CB。每个导通阶段称为一个阶跃，任何时候只有两相导通电流，第三相悬空。未通电的绕组可用作反馈控制，这是无传感器控制算法的基础。

为了使定子中的磁场保持在转子之前，从一个扇区到另一个扇区的转换必须发生在精确的转子位置以获得最佳扭矩。通过每 60 度换向的开关电路实现最大扭矩。所有的开关控制算法都嵌入在微控制器单元 (MCU) 中。MCU 可以通过具有适当特性的 MOSFET 驱动器控制开关电路，例如传播延迟、上升和下降时间，以及将 MOSFET/IGBT 切换到开启或关闭状态所需的栅极驱动电压和电流同步等驱动能力.

转子位置是确定电机绕组换向正确时刻的关键。在需要精度的应用中，霍尔传感器或转速计用于计算转子的位置、速度和扭矩。在成本是一个因素的应用中，反电动势 (EMF) 可用于计算位置、速度和扭矩。

反电动势是电机转子转动时由永磁体在定子绕组中产生的电压。反电动势具有可用于控制和反馈信号的三个重要特性。首先，它的大小与电机的速度成正比，因此工程师使用的 MOSFET 驱动器至少可以运行两倍于电源的电压。其次，随着速度的增加，信号斜率也会增加。最后，信号围绕交叉事件对称。

准确检测过零事件是实现反电动势算法的关键。反电动势模拟信号可以通过其混合信号电路直接发送到 MCU。通常，只需要一个或多个高压运算放大器即可。这些放大和电平转换(根据需要)并将控制信号发送到大多数现代微控制器中通常可用的 ADC。

使用无传感器控制时，启动顺序很重要，因为 MCU 不知道初始转子位置。第一步通过一次为两个绕组通电来启动电机，同时从反电动势反馈回路进行多次测量，直到可以确定精确的位置。

BLDC 电机通常在需要 MCU 的闭环控制系统中运行。MCU 执行伺服回路控制、计算、校正、PID 控制和传感器管理，例如反电动势、霍尔传感器或转速计。

这些数字控制器通常为 8 位或更高位，并且需要 EEPROM 来存储固件，该固件执行设置所需电机速度和方向以及保持电机稳定性所需的算法。MCU 通常具有允许无传感器电机控制架构的 ADC，从而节省成本和电路板空间。MCU 提供了优化应用程序算法的能力。模拟器件为 MCU 提供节能电源、电压调节、电压基准、驱动 MOSFET 或 IGBT 的能力以及故障保护。这两种技术都允许您以与感应和有刷电机相当的价格有效地使用三相 BLDC 电机。

在全球范围内，许多政府都面临着电力短缺，这是电网不足的直接结果。许多地区现在在需求旺季面临停电。这些政府现在正在为更有效地使用 BLDC 电机提供或计划补贴。BLDC 实施是众多绿色举措之一，可以在不影响我们生活方式的情况下节省我们的资源。