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如何使用GreenPAK控制三相无刷直流电机?

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无刷直流电动机(BLDC),也称为电子换向电动机(ECM,EC电动机)或同步直流电动机,是通过逆变器或开关电源由直流电供电的同步电动机,其产生交流电流以驱动每相。电动机通过闭环控制器。控制器向电动机绕组提供电流脉冲,控制电动机的速度和扭矩。

无刷电机优于有刷电机的优点是高功率重量比,高速和电子控制。无刷电机可用于计算机外围设备(磁盘驱动器,打印机),手持式电动工具以及从模型飞机到汽车的车辆。

 

建设和运营原则

BLDC电机的结构和操作与交流感应电机和有刷直流电机非常相似。与所有其他电机一样,BLDC电机也包括转子和定子,如图1所示。

 

BLDC电机结构

图1. BLDC电机结构

 

BLDC电机定子由层叠的钢制成,堆叠起来以承载绕组。定子中的绕组可以以两种模式布置:星形图案(Y)或三角形图案(Δ)。两种模式之间的主要区别在于Y模式在低RPM下提供高扭矩,而Δ模式在低RPM下提供低扭矩。这是因为在Δ配置中,一半的电压施加在未被驱动的绕组上,因此增加了损耗,进而增加了效率和转矩。BLDC电机使用电气循环控制。一个电循环有6个状态。基于霍尔传感器的电机换向顺序如图2所示。

 

基于霍尔传感器的电机换相序列时序图

图2.基于霍尔传感器的电机换向顺序时序图

 

BLDC电机运行的基本原理与有刷直流电机相同。在有刷直流电机的情况下,使用机械换向器和电刷实现反馈。在BLDC电机中,通过使用多个反馈传感器实现反馈。最常用的传感器是霍尔传感器和光学编码器。

在三相BLDC中,齿数(极点)是3的倍数,磁铁的数量是2的倍数。根据磁铁和齿的数量,每个电机具有不同数量的齿槽效应(即磁力之间的磁性吸引力)转子和定子)每回合的步数。要计算步数(N),我们需要知道电机中使用了多少齿和多少磁铁。本应用笔记中使用的电机有12个齿(磁极)和16个磁铁。

等式1

因此,要进行1转,我们需要生成48个电气步骤。

 

设计三相无刷直流电动机

主框图和典型应用电路分别如图3和图4所示。

 

框图

图3.框图

 

典型应用电路

图4.典型应用电路

 

该设计有2个输入来控制电机速度和方向。PIN#8控制方向; 引脚#8上的高电平表示电机旋转是顺时针方向,低电平表示它是逆时针方向。PIN#2用于通过输入频率控制速度。此引脚上没有频率信号将关闭驱动器,电机将停止。向该引脚施加频率将在前500ms内启动电机。使用输入频率可以非常精确地控制电机速度。要计算RPM,我们需要知道电机包含的电气步数:

等式2

此应用中的电机有48个步进,因此在5kHz的频率下,电机将以6250 RPM运行。

该设计可分为4个部分(图5):霍尔传感器的处理模块,栅极驱动器模块,PWM控制或速度控制模块以及保护模块。

 

设计视图

图5.设计视图

 

霍尔传感器的处理模块包括ACMP(ACMP0,ACMP3,ACMP4),抗尖峰脉冲滤波器(DLY1,DLY5,DLY6)和DFF(DFF6,DFF7,DFF8)。本项目使用的霍尔传感器有4个引脚; VDD,GND和2个差分输出连接到ACMP的IN +和IN-输入。设置为1.2 V的内部Vref组件用作霍尔传感器的VDD。来自ACMP的滤波信号进入DFF的D输入。输入频率为这些DFF提供时钟并设置转速。来自这些DFF的信号进入栅极驱动器和3位LUT14,配置为XNOR。结果是每当霍尔传感器改变其极性时,输出在电平上交替变化。两个边沿检测器产生实际速度频率(霍尔频率),其与输入频率进行比较以产生PWM信号以控制旋转速度。

栅极驱动器模块包括12个3位LUT,根据霍尔传感器的反馈对外部晶体管进行整流。6个LUT(3位LUT8-3位LUT13)用于CW方向,另外6个(3位LUT1-3位LUT6)用于切换到CCW方向。该模块还包括3个2位LUT(2位LUT4,2位LUT5和2位LUT6),用于将每相PMOS晶体管的信号与PWM混合,以确保转速与负载无关。

PWM控制包括PWM2组件,计数器CNT8,有限状态机FSM1,3位LUT15,2个DFF(DFF0和DFF1),上升沿检测器PDLY0和反相器INV0。DFF0和DFF1一起作为频率比较器工作; 当输入频率高于霍尔频率时,DFF0 nQ输出变为低电平,当输入频率低于霍尔频率时,DFF1 nQ输出变为低电平ICfans

在“+”输入的低电平时,PWM2 OUT +输出将产生PWM信号,占空比范围为256/256至1/256。在“ - ”输入的低电平时,PWM2 OUT +将产生PWM,其占空比从1/256变化到256/256。PWM频率约为100 kHz,启动时IC的占空比设置为0%。

电机停止,直到施加PIN2的输入频率。向PIN2施加频率后,DFF0 nQ输出将变为低电平,PWM将占空比从0增加到99.6%。电机将继续旋转,直到霍尔传感器超过输入频率。此时,DFF0 nQ输出将变为高电平,DFF1 nQ输出将变为低电平。这种反转导致PWM占空比在电机瞬间VDD和负载处降低到可接受的值。该系统将不断努力平衡PWM占空比。应用笔记AN-1052中更详细地描述了FSM1,CNT8,3位LUT15和PWM2的功能。

保护块包括2个延迟(DLY2和DLY9),计数器CNT0和配置为XOR门的2位LUT0。这部分设计用于保护电机和外部FET免于烧毁。如果电机卡住或无法启动霍尔传感器将无法提供关闭电机所需的反馈。如果100ms后没有收到反馈,DLY2输出将变为低电平,2位LUT0将关闭电机。如果发生这种情况,CNT0和DLY9会尝试每隔500ms启动一次电机,持续8ms。这段时间足以启动电动机,但不足以造成电动机损坏。

 

BLDC电机运行范围拍摄

图6. BLDC电机操作范围拍摄

 

结论

本文介绍了用户如何使用SLG46620 GreenPAK CMIC和霍尔效应传感器控制三相无刷直流电机。SLG46620还包含可用于此项目的其他功能。例如,GreenPAK中的ADC可以解释输入DC电压并从该值生成PWM脉冲,而不是使用输入频率。

以前,如果设计人员希望控制BLDC电机,他们将受到电气规格和专用现成IC解决方案功能的限制。这迫使设计人员选择固定功能且可能过度使用或昂贵的解决方案,这通常会限制其系统的IO。

Dialog GreenPAK通过将可配置性带回设计师的手中来扭转这一设计过程。通过将此GreenPAK应用程序用作普遍适用(且可配置)的3相BLDC电机控制方案,设计人员可以选择引脚分配和外部FET,以满足其项目的独特电气规格。此外,即使考虑外部FET,Dialog GreenPAK解决方案仍然足够小,与专用IC相比,系统设计和BOM成本极具竞争力。