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無刷直流電動(dòng)機(jī) (BLDC),也稱為電子換向電動(dòng)機(jī)(ECM、EC 電動(dòng)機(jī))或同步直流電動(dòng)機(jī),是由直流電通過逆變器或開關(guān)電源供電的同步電動(dòng)機(jī),該同步電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生交流電流來驅(qū)動(dòng)各相通過閉環(huán)控制器控制電機(jī)??刂破飨蚩刂齐姍C(jī)速度和扭矩的電機(jī)繞組提供電流脈沖。 與有刷電機(jī)相比,無刷電機(jī)的優(yōu)勢在于高功率重量比、高速度和電子控制。無刷電機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備(磁盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī))、手持電動(dòng)工具以及從模型飛機(jī)到汽車的車輛等地方都有應(yīng)用。 該項(xiàng)目描述了如何使用 GreenPAK? 控制三相無刷直流電機(jī)。 下面我們描述了了解解決方案如何編程以創(chuàng)建直流電機(jī)控制所需的步驟。但是,如果您只是想得到編程的結(jié)果,下載GreenPAK Designer 軟件查看已經(jīng)完成的GreenPAK Design 文件。將GreenPAK 開發(fā)套件插入您的計(jì)算機(jī),然后點(diǎn)擊程序來設(shè)計(jì)設(shè)備。 構(gòu)造和運(yùn)行原理 BLDC 電機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作與交流感應(yīng)電機(jī)和有刷直流電機(jī)非常相似。與所有其他電機(jī)一樣,BLDC 電機(jī)也由轉(zhuǎn)子和定子組成(圖 1)。 BLDC 電機(jī)定子由疊層鋼制成,用于承載繞組。定子中的繞組可以按兩種模式排列 - 星形圖案 (Y) 或三角形圖案 (Δ)。兩種模式之間的主要區(qū)別在于 Y 模式在低 RPM 時(shí)提供高扭矩,而 ? 模式在低 RPM 時(shí)提供低扭矩。這是因?yàn)樵?? 配置中,一半的電壓施加在未驅(qū)動(dòng)的繞組上,從而增加了損耗,進(jìn)而增加了效率和扭矩。BLDC 電機(jī)使用電氣循環(huán)進(jìn)行控制。一個(gè)電循環(huán)有 6 個(gè)狀態(tài)?;诨魻杺鞲衅鞯碾姍C(jī)換向序列如圖 2 所示。 BLDC 電機(jī)運(yùn)行的基本原理與有刷直流電機(jī)相同。對于有刷直流電機(jī),反饋是使用機(jī)械換向器和電刷實(shí)現(xiàn)的。在 BLDC 電機(jī)中,使用多個(gè)反饋傳感器實(shí)現(xiàn)反饋。最常用的傳感器是霍爾傳感器和光學(xué)編碼器。 在三相 BLDC 中,齒(極)數(shù)是 3 的倍數(shù),磁鐵數(shù)是 2 的倍數(shù)。 根據(jù)磁鐵和齒的數(shù)量,每個(gè)電機(jī)具有不同數(shù)量的齒槽效應(yīng)(即磁吸力)轉(zhuǎn)子和定子)每轉(zhuǎn)步數(shù)。要計(jì)算步數(shù) (N),我們需要知道電機(jī)中使用了多少個(gè)齒和多少個(gè)磁鐵。該項(xiàng)目中使用的電機(jī)有 12 個(gè)齒(極)和 16 個(gè)磁鐵。 因此,要轉(zhuǎn)動(dòng) 1 圈,我們需要生成 48 個(gè)電步。 設(shè)計(jì) 主要框圖和典型應(yīng)用電路分別如圖3和圖4所示。 該設(shè)計(jì)有 2 個(gè)輸入來控制電機(jī)速度和方向。PIN#8 控制方向;Pin#8 上的高電平表示電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn),低電平表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。PIN#2 用于通過輸入頻率控制速度。此引腳上沒有頻率信號將關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器,電機(jī)將停止。在前 500 毫秒內(nèi)向該引腳施加頻率將啟動(dòng)電機(jī)。使用輸入頻率使我們能夠非常精確地控制電機(jī)速度。要計(jì)算 RPM,我們需要知道電機(jī)包含多少個(gè)電步: 此應(yīng)用中的電機(jī)有 48 步,因此在 5kHz 的頻率下,電機(jī)將以 6250 RPM 運(yùn)行。 該設(shè)計(jì)可分為 4 個(gè)部分(圖 5):霍爾傳感器的處理塊、柵極驅(qū)動(dòng)器塊、PWM 控制或速度控制塊以及保護(hù)塊。 霍爾傳感器的處理模塊包括 ACMP(ACMP0、ACMP3、ACMP4)、去毛刺濾波器(DLY1、DLY5、DLY6)和 DFF(DFF6、DFF7、DFF8)。本項(xiàng)目中使用的霍爾傳感器有 4 個(gè)引腳;VDD、GND 和 2 個(gè)連接到 ACMP 的 IN+ 和 IN- 輸入的差分輸出。內(nèi)部 Vref 組件設(shè)置為 1.2 V,用作霍爾傳感器的 VDD。來自 ACMP 的濾波信號進(jìn)入 DFF 的 D 輸入。輸入頻率為這些 DFF 提供時(shí)鐘并設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度。來自這些 DFF 的信號進(jìn)入柵極驅(qū)動(dòng)器和配置為 XNOR 的 3 位 LUT14。結(jié)果是每次任何霍爾傳感器改變其極性時(shí),輸出電平都會(huì)交替變化。兩個(gè)邊沿檢測器都會(huì)生成實(shí)際速度頻率(霍爾頻率),將其與輸入頻率進(jìn)行比較以生成 PWM 信號來控制旋轉(zhuǎn)速度。 柵極驅(qū)動(dòng)器模塊包括 12 個(gè) 3 位 LUT,可根據(jù)霍爾傳感器的反饋對外部晶體管進(jìn)行換向。其中 6 個(gè) LUT(3 位 LUT8 – 3 位 LUT13)用于 CW 方向,另外 6 個(gè)(3 位 LUT1 – 3 位 LUT6)用于切換到 CCW 方向。該模塊還包括 3 個(gè) 2 位 LUT(2 位 LUT4、2 位 LUT5 和 2 位 LUT6),用于將每相 PMOS 晶體管的信號與 PWM 混合,以確保轉(zhuǎn)速與負(fù)載無關(guān)。 PWM 控制包括 PWM2 組件、計(jì)數(shù)器 CNT8、有限狀態(tài)機(jī) FSM1、3 位 LUT15、2 個(gè) DFF(DFF0 和 DFF1)、上升沿檢測器 PDLY0 和反相器 INV0。DFF0 和 DFF1 一起用作頻率比較器;當(dāng)輸入頻率高于霍爾頻率時(shí),DFF0 nQ 輸出變?yōu)榈碗娖?;?dāng)輸入頻率低于霍爾頻率時(shí),DFF1 nQ 輸出變?yōu)榈碗娖健T凇?”輸入為低電平時(shí),PWM2 OUT+ 輸出將生成占空比范圍為 256/256 至 1/256 的 PWM 信號。在“-”輸入為低電平時(shí),PWM2 OUT+ 將生成占空比從 1/256 變化到 256/256 的 PWM。PWM 頻率約為 100 kHz,啟動(dòng)時(shí) IC 的占空比設(shè)置為 0%。電機(jī)停止,直到施加到 PIN2 的輸入頻率。將頻率應(yīng)用到 PIN2 后,DFF0 nQ 輸出將變低,PWM 會(huì)將占空比從 0 增加到 99.6%。電機(jī)將繼續(xù)旋轉(zhuǎn),直到霍爾傳感器超過輸入頻率。此時(shí),DFF0 nQ 輸出將變?yōu)楦唠娖?,?DFF1 nQ 輸出將變?yōu)榈碗娖?。這種反轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致 PWM 占空比在電機(jī)上看到的即時(shí) VDD 和負(fù)載處降低到可接受的值。該系統(tǒng)將不斷工作以平衡 PWM 占空比。FSM1、CNT8、3 位 LUT15 和 PWM2 的功能在 這種反轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致 PWM 占空比在立即 VDD 和電機(jī)負(fù)載處降低到可接受的值。該系統(tǒng)將不斷工作以平衡 PWM 占空比。FSM1、CNT8、3 位 LUT15 和 PWM2 的功能在 這種反轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致 PWM 占空比在電機(jī)上看到的即時(shí) VDD 和負(fù)載處降低到可接受的值。該系統(tǒng)將不斷工作以平衡 PWM 占空比。FSM1、CNT8、3 位 LUT15 和 PWM2 的功能在應(yīng)用筆記 AN-1052。 保護(hù)塊包括 2 個(gè)延遲(DLY2 和 DLY9)、計(jì)數(shù)器 CNT0 和配置為 XOR 門的 2 位 LUT0。這部分設(shè)計(jì)用于保護(hù)電機(jī)和外部 FET 不被燒壞。如果電機(jī)卡住或無法啟動(dòng),霍爾傳感器將無法提供關(guān)閉電機(jī)所需的反饋。如果在 100 毫秒后沒有收到反饋,DLY2 輸出將變?yōu)榈碗娖讲⑶?2 位 LUT0 關(guān)閉電機(jī)。如果發(fā)生這種情況,CNT0 和 DLY9 會(huì)嘗試每 500 毫秒啟動(dòng)一次電機(jī),持續(xù) 8 毫秒。這段時(shí)間足以啟動(dòng)電機(jī),但不足以對電機(jī)造成損壞。 結(jié)論 該項(xiàng)目描述了如何使用SLG46620 GreenPAK IC和霍爾效應(yīng)傳感器控制三相無刷直流電機(jī)。SLG46620 還包含可用于該項(xiàng)目的其他功能。例如,GreenPAK 中的 ADC 可以解釋輸入直流電壓并根據(jù)該值生成 PWM 脈沖,而不是使用輸入頻率。 以前,如果設(shè)計(jì)人員希望控制 BLDC 電機(jī),他們將受到電氣規(guī)格和專用現(xiàn)成 IC 解決方案功能的限制。這迫使設(shè)計(jì)人員選擇功能固定且可能會(huì)過度殺傷或昂貴的解決方案,這通常會(huì)限制其系統(tǒng)的 IO。 Dialog GreenPAK 通過將可配置性重新交到設(shè)計(jì)人員手中,逆轉(zhuǎn)了這一設(shè)計(jì)過程。通過將此 GreenPAK 應(yīng)用程序用作普遍適用(盡管也是唯一可配置的)三相 BLDC 電機(jī)控制方案,設(shè)計(jì)人員可以選擇滿足其項(xiàng)目獨(dú)特電氣規(guī)格的引腳分配和外部 FET。