近年來，在許多市場和應用中出現(xiàn)了使用效率更高的無刷直流 (BLDC) 電機的趨勢。許多應用正在使用(或可能使用)這些電機來代替交流感應電機。

使用 BLDC 電機的一些主要優(yōu)勢包括更高的效率(75% 對 40%)、更少的熱量產(chǎn)生、更高的可靠性(無刷磨損)和更安全的操作(無刷塵或電弧產(chǎn)生)。在關(guān)鍵子系統(tǒng)中使用這些電機還可以減輕整個系統(tǒng)的重量。

而且由于 BLDC 電機是完全電子換向的，因此在更高的速度下控制扭矩和轉(zhuǎn)速要容易得多。

仔細觀察

BLDC 電機是同步電機，其轉(zhuǎn)子集成有永磁體。與交流感應電動機一樣，它們在定子中有線圈繞組。繞組在定子極片上產(chǎn)生磁場，這些磁場可以旋轉(zhuǎn)(見左圖)。電氣端子直接連接到定子繞組，因此轉(zhuǎn)子沒有電刷或機械觸點。

這些電機使用直流電源和開關(guān)電路在定子繞組上產(chǎn)生雙向電流。開關(guān)電路由每個繞組的高邊和低邊開關(guān)組成。一個 BLDC 電機總共需要六個開關(guān)。這種切換動作導致定子的磁場旋轉(zhuǎn)。

由于成本、可靠性和尺寸問題，當前的電機設(shè)計使用固態(tài)開關(guān)(例如 MOSFET 或 IGBTS)而不是繼電器，具體取決于電機的電壓和速度。開關(guān)電流產(chǎn)生適當?shù)拇艌鰳O性，它吸引相反的極性并排斥相同的極性。磁力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子上使用永磁體具有減小尺寸和重量的機械優(yōu)勢。與有刷電機和感應電機相比，BLDC 電機具有更好的熱特性，使其成為下一代節(jié)能機械系統(tǒng)的理想選擇。

BLDC 電機通常使用三相(繞組)，每相的導通間隔為 120 度。

由于電流是雙向的，每相在每個導通間隔分為兩步。這稱為六步換相。一種換相相序選項是 AB-AC-BC-BA-CA-CB。每個導通階段稱為一個階躍，任何時候只有兩相導通電流，第三相懸空。未通電的繞組可用作反饋控制，這是無傳感器控制算法的基礎(chǔ)。

為了使定子中的磁場保持在轉(zhuǎn)子之前，從一個扇區(qū)到另一個扇區(qū)的轉(zhuǎn)換必須發(fā)生在精確的轉(zhuǎn)子位置以獲得最佳扭矩。通過每 60 度換向的開關(guān)電路實現(xiàn)最大扭矩。所有的開關(guān)控制算法都嵌入在微控制器單元 (MCU) 中。MCU 可以通過具有適當特性的 MOSFET 驅(qū)動器控制開關(guān)電路，例如傳播延遲、上升和下降時間，以及將 MOSFET/IGBT 切換到開啟或關(guān)閉狀態(tài)所需的柵極驅(qū)動電壓和電流同步等驅(qū)動能力.

轉(zhuǎn)子位置是確定電機繞組換向正確時刻的關(guān)鍵。在需要精度的應用中，霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速計用于計算轉(zhuǎn)子的位置、速度和扭矩。在成本是一個因素的應用中，反電動勢 (EMF) 可用于計算位置、速度和扭矩。

反電動勢是電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由永磁體在定子繞組中產(chǎn)生的電壓。反電動勢具有可用于控制和反饋信號的三個重要特性。首先，它的大小與電機的速度成正比，因此工程師使用的 MOSFET 驅(qū)動器至少可以運行兩倍于電源的電壓。其次，隨著速度的增加，信號斜率也會增加。最后，信號圍繞交叉事件對稱。

準確檢測過零事件是實現(xiàn)反電動勢算法的關(guān)鍵。反電動勢模擬信號可以通過其混合信號電路直接發(fā)送到 MCU。通常，只需要一個或多個高壓運算放大器即可。這些放大和電平轉(zhuǎn)換(根據(jù)需要)并將控制信號發(fā)送到大多數(shù)現(xiàn)代微控制器中通?？捎玫?ADC。

使用無傳感器控制時，啟動順序很重要，因為 MCU 不知道初始轉(zhuǎn)子位置。第一步通過一次為兩個繞組通電來啟動電機，同時從反電動勢反饋回路進行多次測量，直到可以確定精確的位置。

BLDC 電機通常在需要 MCU 的閉環(huán)控制系統(tǒng)中運行。MCU 執(zhí)行伺服回路控制、計算、校正、PID 控制和傳感器管理，例如反電動勢、霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速計。

這些數(shù)字控制器通常為 8 位或更高位，并且需要 EEPROM 來存儲固件，該固件執(zhí)行設(shè)置所需電機速度和方向以及保持電機穩(wěn)定性所需的算法。MCU 通常具有允許無傳感器電機控制架構(gòu)的 ADC，從而節(jié)省成本和電路板空間。MCU 提供了優(yōu)化應用程序算法的能力。模擬器件為 MCU 提供節(jié)能電源、電壓調(diào)節(jié)、電壓基準、驅(qū)動 MOSFET 或 IGBT 的能力以及故障保護。這兩種技術(shù)都允許您以與感應和有刷電機相當?shù)膬r格有效地使用三相 BLDC 電機。

在全球范圍內(nèi)，許多政府都面臨著電力短缺，這是電網(wǎng)不足的直接結(jié)果。許多地區(qū)現(xiàn)在在需求旺季面臨停電。這些政府現(xiàn)在正在為更有效地使用 BLDC 電機提供或計劃補貼。BLDC 實施是眾多綠色舉措之一，可以在不影響我們生活方式的情況下節(jié)省我們的資源。