無刷直流馬達的梯形控制

作者 : onsemi

梯形控制(trapezoidal control)是無刷直流(BLDC)馬達最簡單的控制方法之一,它施加方波電流,使馬達相位與BLDC馬達的梯形反電動勢波形對齊,以獲得最佳轉矩...

梯形控制(trapezoidal control)是無刷直流(BLDC)馬達最簡單的控制方法之一,它施加方波電流,使馬達相位與BLDC馬達的梯形反電動勢波形對齊,以獲得最佳轉矩。BLDC 的梯形控制適用於白色家電、製冷壓縮機、暖通空調(HVAC)鼓風機、冷凝器、工業驅動、泵和機器人等多種應用馬達控制系統設計。

構成驅動馬達三相逆變器的MOSFET具有六種開/關狀態組合,從而在轉子磁場的旋轉平面內產生六種可能的定子磁場方向。因此,該方法也稱為六步法或120°塊換向。根據馬達的所需旋轉方向,六種可能的逆變器狀態必須遵循特定的順序,以便定子和轉子磁場方向佈置產生最大轉矩。轉子位置反饋通常透過安裝在馬達上的霍爾感測器(有感測器)或透過在旋轉時(無感測器)感測馬達相位的反電動勢來實現,從而確定適當的換向時序。

Hall Sensor Commutation Timing Diagram

1:霍爾感測器換向時序圖。

有感測器式梯形控制不需要任何電壓或電流反饋訊號即可運行。它使用來自霍爾感測器的位置反饋來確定為馬達各相位通電的正確順序。安裝在馬達上的霍爾感測器通過轉子永磁體旋轉磁場產生的霍爾效應來感測轉子位置。即使在啟動時,也可以進行適當的換向,因為即使在零速下,轉子位置資訊也存在。

Sensored Trapezoidal Motor Control System Block Diagram

2:有感測器式馬達梯形控制系統方塊圖。

無感測器的梯形控制使用馬達旋轉產生的反電動勢來確定適當的馬達換向順序。對於梯形控制,一次只能通電兩個馬達相位。由於非通電相位中沒有電流流動,因此此時可以直接感測反電動勢。在非通電階段,反電動勢呈線性增加或減少。大多數用於梯形控制的反電動勢位置反饋技術都依賴於涉及反電動勢過零檢測(ZCD)的方法。監測反電動勢,以確定它何時越過參考點-馬達中性電壓或直流匯流排電壓的一半。

Sensorless Trapezoidal Motor Control System Block Diagram

3:無感測器的馬達梯形控制系統方塊圖。

雖然有感測器的梯形控制更容易實施,但由於在馬達中安裝了霍爾感測器,需要增加成本,還需要從馬達進行更多佈線,這在某些環境中不太可行。無感測器控制更為複雜,必須針對特定負載或工作條件進行調整,且在重載下可能難以啟動。不過,無感測器控制非常適合已知負載曲線或負載隨速度增加的應用如風扇。

其他設計注意事項

在為您的應用考慮BLDC馬達控制設計時,您還需要考慮一些關鍵設計因素,包括:

  • 過流保護(OCP)—硬體、軟體或兩者都可實現OCP,以限制電流和緩解硬故障。
  • 過壓保護(OVP)—硬體、軟體或兩者均可保護馬達免受破壞性電壓的影響。
  • 過溫保護(OTP)—監測逆變器中的MOSFET工作溫度非常重要,尤其是在溫度範圍較寬的環境中。

MOSFET選擇如安森美(onsemi)的高能效遮罩閘溝槽型MOSFET產品組合,可根據特定設計的要求進行客製,以實現馬達控制系統的卓越性能。

高度整合的馬達控制方案可實現節能。梯形BLDC控制的優點包括控制演算法簡單、效率高,馬達簡單,可實現長的使用壽命和更低的營運成本。梯形控制與基本保護和設計技術相結合,提高馬達的控制和精度,是驅動電動工具和機器人馬達的最高效方法之一。

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