無傳感器、無電刷的電動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

     技術(shù)不斷在向前邁進(jìn)，新出品的電子元件簡(jiǎn)化了電動(dòng)和控制器的設(shè)計(jì)，對(duì)於工程師開發(fā)電器用具設(shè)計(jì)并從無電刷電動(dòng)機(jī)操作上得著莫大的好處是擔(dān)當(dāng)一個(gè)重要角色。

　　無電刷電動(dòng)機(jī)（Brushless Motor）的應(yīng)用設(shè)計(jì)越來越多都是傳統(tǒng)上依賴DC和異步電動(dòng)機(jī)。主要的好處一般包括無電刷電動(dòng)機(jī)的單位成本和能以電子方式控制速度和轉(zhuǎn)距，這不單節(jié)省機(jī)械設(shè)計(jì)，而且還使到在家用電器、電風(fēng)扇、壓縮器及工業(yè)傳動(dòng)機(jī)器上達(dá)至節(jié)能目的，傳統(tǒng)的做法是在關(guān)閉與全速的浪費(fèi)操作之間交替地進(jìn)行。

　　無電刷電動(dòng)機(jī)控制算法（control algorithm）需要轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)來計(jì)算脈寬調(diào)制（PWM）輸出，但是采用比如霍爾效應(yīng)（Hall Effect）器件之類傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置卻加增成本和復(fù)雜性。并且也使到可靠性構(gòu)成挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)師要敏銳地以無傳感器檢測(cè)方式來獲得轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)。

圖1. 使用56F8013設(shè)計(jì)無電刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。

　　為此，具備有DSP（數(shù)字信號(hào)處理）功能的新一代微控制器提供足夠的計(jì)算能力，支援復(fù)雜的電動(dòng)機(jī)控制策略，包括計(jì)算一般必須由附加傳感器來采集的速度與位置數(shù)據(jù)。另一方面，也提供功率模塊，此是采用智能功率技術(shù)將功率型MOSFET或IGBT與電流測(cè)量功能結(jié)合一體。這樣簡(jiǎn)化了功率電路的設(shè)計(jì)，令到一個(gè)密集而獨(dú)立的方案很容易組合到最終產(chǎn)品上。

　　電動(dòng)機(jī)類型

　　在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中有四個(gè)核心部位應(yīng)予凸顯，它們是：

　　—控制單元∶這是根據(jù)輸入信號(hào)和來自傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行精密的位置與速度估計(jì)算法，控制單元也管理與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的系統(tǒng)保護(hù)。

　　—功率變換器∶這是提供電源來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并由DSP經(jīng)特殊界面控制。

　　—傳感器∶傳感器傳統(tǒng)上乃用來回饋電動(dòng)機(jī)的位置數(shù)據(jù)，DSP以此來計(jì)算電動(dòng)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)功率。

　　—輔助電路∶加上電源和一般保護(hù)電路，合成無電刷電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)。

　　廣義來講，常用的無電刷電動(dòng)機(jī)分兩類∶無電刷直流（BLDC）電動(dòng)機(jī)和無電刷交流電動(dòng)機(jī)（在別的情況稱永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）），兩類中皆包含產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)的永磁轉(zhuǎn)子及安排作二相或三相的定子繞組。在無電刷直流電動(dòng)機(jī)中安排繞組使到每一相在沿著定子的空氣隙中產(chǎn)生一個(gè)梯形磁場(chǎng)。在永磁同步電動(dòng)機(jī)中旋轉(zhuǎn)場(chǎng)是正弦的。

圖2. 56F8013 DSC結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理及專用電動(dòng)機(jī)控制外圍設(shè)備。

　　工作原理

　　在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，以三相正弦電壓方式（120°相移）施加於定子繞組上，這樣在轉(zhuǎn)子周圍建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子找尋與這旋轉(zhuǎn)定子場(chǎng)對(duì)齊，故此，當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子磁通分隔90°時(shí)造出的轉(zhuǎn)距便是最大，又當(dāng)磁通對(duì)齊時(shí)轉(zhuǎn)距是零。最後，轉(zhuǎn)子速度等於定子頻率，因?yàn)檫@緣故，這類電動(dòng)機(jī)被稱為同步，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由調(diào)節(jié)三相電源的頻率來控制。

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)在某些方面較無電刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)勝，包括轉(zhuǎn)距紋波小、可聞噪聲低，以及更能夠在低速工作。而另一方面，電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大多復(fù)雜，需要精密的控制算法。電動(dòng)機(jī)一般備有一個(gè)正交編碼器（quadratur encoder）檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速回饋；有時(shí)還要用霍爾傳感器檢知起始位置。

　　在無電刷直流電動(dòng)機(jī)中，定子各相被饋以一序列的梯形電壓，這樣混合一起便造出一個(gè)有矩形空間分布的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在圖1所示的簡(jiǎn)化雙極模型中有助於了解這類電動(dòng)機(jī)的基本原理。

　　饋電線圈U和W建立磁場(chǎng)，指向如圖中的N’和S’，因此轉(zhuǎn)子以其N-S方向即經(jīng)過一個(gè)力矩，并開始旋轉(zhuǎn)；須注意，起初兩磁場(chǎng)是90°移動(dòng)，經(jīng)過30°旋轉(zhuǎn)後，定子被換向，以至新的形式下產(chǎn)生的定子場(chǎng)是與轉(zhuǎn)子場(chǎng)移位120°，正如解釋，轉(zhuǎn)子勢(shì)必跟隨定子場(chǎng)，以至移位再減少至60°，在此時(shí)執(zhí)行新的換向，并且該形勢(shì)繼續(xù)重復(fù)下去，於是獲得360°旋轉(zhuǎn)。

　　將給線圈的電源換向的正確時(shí)間由三個(gè)放置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)里的霍爾傳傳感器來決定，因此，只要令磁場(chǎng)常操作於60°與120°之間移位及以90°為中界，六種不同形式便可造出最大效率，須記著最大轉(zhuǎn)矩是於定子場(chǎng)與轉(zhuǎn)子場(chǎng)是90°移位時(shí)得到的，顯而易見，由無電刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，特徵是有明顯的波動(dòng)。

　　必須的工作

　　在兩類電動(dòng)機(jī)情況來看，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置是電動(dòng)機(jī)必須的工作，而霍爾傳感器就是傳統(tǒng)的解決方案?？墒?，這卻加添材料成本，需額外的連線，以及代表多一個(gè)故障機(jī)制；斷線或傳感器失效令電動(dòng)機(jī)停止，在維修而言這是昂貴的支出，一般會(huì)導(dǎo)致差劣的市場(chǎng)洞察力，又增加在工業(yè)應(yīng)用上擁腫的成本。

　　另一缺點(diǎn)，使用霍爾傳感器造出精確的速度控制，通常需要更昂貴的正交編碼器或測(cè)速發(fā)電機(jī)，因此，創(chuàng)造一個(gè)無傳感器方案，從而免除對(duì)霍爾傳感器和相連電路的需求和依賴，祈望降低成本，加強(qiáng)以變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為特色的電器的可靠性和壽命。

圖3. FCBS0550 550V MOSFET逆變器模塊，備有獨(dú)立負(fù)線，支援單引腳電流*。

　　要進(jìn)行無傳感器控制必須在電動(dòng)機(jī)正在運(yùn)行之時(shí)以其他的測(cè)量方法間接取得轉(zhuǎn)子位置數(shù)據(jù)。就這兩類電動(dòng)機(jī)來講，這要由轉(zhuǎn)子在每一定子相中的感應(yīng)來測(cè)量或估計(jì)反電動(dòng)勢(shì)（back emf），在無電刷直流電動(dòng)機(jī)中，其中一相總是被關(guān)閉，這樣便可利用反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量和零交點(diǎn)檢測(cè)來計(jì)算正確的相開關(guān)時(shí)間和形式。

　　在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，必須估計(jì)反電動(dòng)勢(shì)波形，然後利用反三角函數(shù)取出轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)。在實(shí)際當(dāng)中不少的干擾影響也疊加在定子電壓波形上，須先行將之濾出，才可以抽出在數(shù)據(jù)中所包含的轉(zhuǎn)子位置資料。在實(shí)現(xiàn)無傳感器電動(dòng)機(jī)控制上DSP是完全符合高速運(yùn)算要求的最佳之選。

　　數(shù)字信號(hào)控制器

　　Freescale近來推出56F8000數(shù)字信號(hào)控制器（Digital Signal Controller）系列，此是把DSP功能與微控制器式的管理結(jié)合為一體。56F8000建基於一個(gè)高性能16 bit核芯，有32MIPS的操作速度，并裝備有大量的外圍服務(wù)應(yīng)用程序，包括電動(dòng)機(jī)控制和眾多其他功能，譬如在圖2中所示的56F8013就是使到電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用達(dá)至最優(yōu)化，并包括以下的外圍設(shè)備∶

　　—三相PWM模塊，有15 bit分辨能力和一組可編程的故障和配置

　　—12 bit ADC，準(zhǔn)許有同時(shí)轉(zhuǎn)換和比如零交點(diǎn)檢測(cè)。

　　—時(shí)間器模塊，有16 bit分辨率和多通道結(jié)構(gòu)，可用作速度或時(shí)間計(jì)算。

　　對(duì)於無電刷直流電動(dòng)機(jī)，軟件方面包括∶

　　—設(shè)有閉環(huán)速度與電流限制的電動(dòng)機(jī)控制

　　—電動(dòng)機(jī)從任何位置啟動(dòng)，采用一個(gè)對(duì)準(zhǔn)過程從而知道初始的轉(zhuǎn)子位置，需要正確的饋電次序。

　　—反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)、與PWM同步，減小由於PWM信號(hào)在現(xiàn)用相上通電時(shí)因?yàn)榛ジ泻碗娙菟斐傻母蓴_。

　　—在運(yùn)行過程中計(jì)算及更新?lián)Q向時(shí)間，使到萬一找不住零交點(diǎn)時(shí)可以作出修正動(dòng)作。

　　—起動(dòng)過程要顧及低速、預(yù)定的換向時(shí)序；這是需要的，因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速時(shí)，比如當(dāng)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的幅度太小以致難以檢測(cè)。

　　對(duì)於永磁同步電動(dòng)機(jī)，軟件包括∶

　　—電動(dòng)機(jī)控是依據(jù)場(chǎng)定位控制（FOC），這是用來維持定子與轉(zhuǎn)子磁通於正交位置，以增大轉(zhuǎn)矩效率。

　　—有稱為滑動(dòng)模式觀測(cè)器（SMO）的反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)器，其輸出用來計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和速度等資料。

　　—速度與電流閉合環(huán)路，分別有更佳的速度與轉(zhuǎn)矩性能。

　　聰明功率模塊

　　除了實(shí)現(xiàn)位置估計(jì)算法外，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)控制器的功率級(jí)是對(duì)工程師尋找一個(gè)快速和劃算的方案又是另一個(gè)重大挑戰(zhàn)，尤其功耗和與大電流高電壓工作相關(guān)的干擾影響。即使是一位富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師也要付出相當(dāng)?shù)乃剂亢蛣诹?，例如要將布局?yōu)化處理，才可減少功率開關(guān)的連帶效果。其中一個(gè)更專門的部份是為功率開關(guān)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)管，這會(huì)用MOSFET或IGBT制造，視乎所需的電壓額定值來決定。

　　要解決種種挑戰(zhàn)，有些制造商供應(yīng)完備的模塊，內(nèi)里將所需的功率開關(guān)與驅(qū)動(dòng)器和界面電路整合，只需電動(dòng)機(jī)控制輸入信號(hào)，還有電源直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)便可以了。設(shè)計(jì)范圍已縮小至一個(gè)簡(jiǎn)單過程 ─ 找一個(gè)大小符合於功率額定值的散熱器。布線上經(jīng)已在模塊內(nèi)里優(yōu)化，減少連線長(zhǎng)度，減少功率損失、以及電容/電感的副作用，除此以外，電源結(jié)構(gòu)相對(duì)於分立式方案更為簡(jiǎn)化，導(dǎo)致到整個(gè)設(shè)計(jì)更加緊密。

圖4. International Rectifier的智能電源模塊結(jié)合了數(shù)字電路和大功率驅(qū)動(dòng)器

　　譬如Fairchild推出的聰明功率模塊FCBS系列，就包括有集驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、系統(tǒng)控制等功能一身的500V MOSFET逆變器。如圖3所示，HVIC技術(shù)使到單電源MOSFET門驅(qū)動(dòng)能力上不需用光電耦合器，這有助於縮減全部?jī)沙傻陌迕?。元件安裝在低熱阻陶瓷襯底上。有效地排除熱力至模塊的表面，此處可連接散熱器。綜合保護(hù)方面包括欠壓封鎖和短路保護(hù)，而分開的負(fù)DC線端提供單腳電流*。

　　International Rectifier（IR）以其智能功率模塊（IPM）解決了合乎經(jīng)濟(jì)效益的無電刷電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，特色是高度集成化，將IR專利的三相門驅(qū)動(dòng)器和高效率的溝道IGBT技術(shù)集合於單列直插式組件上，如圖4所示，一個(gè)IPM便替代超過20個(gè)分立元件，IR采用絕緣金屬襯底技術(shù)，提高熱效能，減少EMI干擾，這樣為節(jié)能用具和由變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的輕工業(yè)設(shè)備造就了一個(gè)完備的功率級(jí)方案?？色@得的模塊都是為功率額定值由400W至2500W作出最優(yōu)化。

　　就以IRAMS06為例，它額定於6A輸出，不單結(jié)合IGBT和門驅(qū)動(dòng)器，還有溫度*，過流關(guān)閉、欠壓封鎖和防止交叉導(dǎo)電邏輯，其他特色譬如作為高端驅(qū)動(dòng)的陰極負(fù)載二極管和單極電源等，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不需額外的隔離，因?yàn)樵旧慝@得高達(dá)每分鐘2000Vrms，IR也發(fā)表網(wǎng)上設(shè)計(jì)工具，有助於設(shè)計(jì)師使用IPM系列和電動(dòng)機(jī)控制IC的IRMCK系列設(shè)計(jì)其方案