無刷直流電機(jī)驅(qū)動器的新趨勢
發(fā)布日期:2023-10-18
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無刷直流 (BLDC) 電機(jī)在市場和廣泛的運動控制應(yīng)用中得到了迅速采用，因為它們與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)相比具有明顯的優(yōu)勢。更少的維護(hù)、更高的運行速度、緊湊、更少的電氣噪聲、更好的扭矩重量比，僅舉幾例。 盡管有這些優(yōu)勢，但 BLDC 電機(jī)的成本高于傳統(tǒng)直流電機(jī)，因為它們需要電機(jī)驅(qū)動控制器（用于電子換向）和轉(zhuǎn)子位置傳感器。
無傳感器控制
無傳感器控制技術(shù)被認(rèn)為是節(jié)省成本的好處，還可以提高系統(tǒng)可靠性，減少電氣連接的數(shù)量，消除機(jī)械對準(zhǔn)問題，并減少電機(jī)的尺寸和重量。一般來說，無傳感器控制的定義是在沒有通常需要的轉(zhuǎn)子位置傳感器的情況下運行 BLDC 電機(jī)，消除轉(zhuǎn)子位置傳感器（例如，光學(xué)編碼器、霍爾效應(yīng)傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、電纜和解碼電路）加起來降低制造成本，提高可靠性和耐用性。
有傳感器的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器使用帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器的3相 PWM 逆變器來執(zhí)行換相和/或電流控制。但是，獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法不同，在無傳感器控制技術(shù)中，轉(zhuǎn)子位置信息是通過間接感應(yīng)三個電機(jī)端子電壓之一的反電動勢（電動勢）來確定的。由于3個BLDC電機(jī)相繞組中只有兩個同時導(dǎo)通，因此第三個非導(dǎo)電相背負(fù)可以間接計算轉(zhuǎn)子位置和速度的反電動勢。目前，無傳感器技術(shù)尚未得到廣泛采用，在未來，它有望成為主要的 BLDC 電機(jī)控制方法。
扭矩紋波減少
盡管 BLDC 電機(jī)具有許多優(yōu)點，但它們具有一個限制因素：傾向于表現(xiàn)出扭矩脈動。這些脈動會導(dǎo)致聲學(xué)噪聲和振動，并且會嚴(yán)重限制系統(tǒng)的性能，特別是在高精度和高穩(wěn)定性應(yīng)用中。在高速應(yīng)用中，轉(zhuǎn)矩脈動可以通過負(fù)載的慣性濾除。然而，在低速時，當(dāng)它們最明顯時，轉(zhuǎn)矩脈動會極大地限制性能。轉(zhuǎn)矩脈動是由 BLDC 電機(jī)和 PWM 驅(qū)動控制器設(shè)計引起的，包括電機(jī)的幾何缺陷、不精確的換向、電流驅(qū)動波形的保真度 、相位延遲、摩擦和電機(jī)中的磁滯。它們可以通過更好的電機(jī)設(shè)計或使用更好的驅(qū)動控制器來減少。
轉(zhuǎn)矩脈動分為兩大類：齒槽轉(zhuǎn)矩和換向轉(zhuǎn)矩，齒槽轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時定子槽開口引起的磁阻變化產(chǎn)生的?？梢酝ㄟ^改變電機(jī)設(shè)計來減少齒槽轉(zhuǎn)矩，例如定子槽的傾斜、選擇分?jǐn)?shù)槽/極電機(jī)設(shè)計或選擇相對于槽間距的磁體寬度。換向轉(zhuǎn)矩紋波是由驅(qū)動器的 PWM 逆變器和是由于電流滯后或逆變器產(chǎn)生高頻電流紋波。換相時，一相關(guān)斷，另一相導(dǎo)通，所以各相電流的上升和下降速率不相等，因此兩相電流在換相過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不會瞬間加到轉(zhuǎn)矩值上。一個完全勵磁的相位，這將允許在換向間隔內(nèi)獲得平滑的扭矩。
為了最大限度地減少換向轉(zhuǎn)矩脈動，需要對 BLDC 驅(qū)動器進(jìn)行改進(jìn)。在電機(jī)驅(qū)動設(shè)計中使用了幾種方法來最小化換向轉(zhuǎn)矩脈動。一種方法是添加電感-電容 (L-C) 濾波器，以減少逆變器輸出到電機(jī)的高頻分量。但減少轉(zhuǎn)矩脈動的一個關(guān)鍵因素是通過調(diào)整繞組的導(dǎo)通相位使其適當(dāng)補(bǔ)償來消除轉(zhuǎn)矩諧波。還有其他四種方法被引入來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動的降低：(1) 使用直接轉(zhuǎn)矩控制，( 2) 動態(tài)改變輸入電壓，(3) 添加扭矩估計電路，以及 (4) 采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和主動抗擾控制。
集成 BLDC 電機(jī)和驅(qū)動器
集成的 BLDC 電機(jī)和驅(qū)動器是最新趨勢之一，有望降低成本、提高可靠性和緊湊型。未來，集成 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器有望成為市場標(biāo)準(zhǔn)。 2021 年，集成 BLDC 電機(jī)增長了 47.7%，正在迅速取代交流伺服電機(jī)。越來越多的無刷直流集成電機(jī)正在附帶高級反饋的結(jié)果。此外，從 2019 年到 2020 年，具有位置控制功能的集成 BLDC 電機(jī)的復(fù)合年增長率預(yù)計將達(dá)到 18.6%。
電機(jī)和驅(qū)動電子設(shè)備的集成是兩個新發(fā)展的結(jié)果：(1) 電子元件的效率不斷提高，導(dǎo)致電力電子設(shè)備的尺寸減?。?2) BLDC 電機(jī)的稀土永磁體消除了轉(zhuǎn)子的熱源，因此內(nèi)部溫升比傳統(tǒng)的直流電機(jī)小，可以將逆變器控制安裝到電機(jī)中。目前，集成 BLDC 電機(jī)和驅(qū)動器的功率在100瓦范圍內(nèi)。隨著集成 BLDC 電機(jī)市場和尺寸范圍的增加，它們將設(shè)計更簡單的電機(jī)驅(qū)動裝置，并消除對逆變器控制室、通風(fēng)設(shè)備以及電機(jī)和逆變器之間電纜的需求。
數(shù)字信號處理器
BLDC 電機(jī)驅(qū)動器的大多數(shù)新趨勢都需要具有高速微處理器和高密度可編程邏輯控制器技術(shù)的高性能控制器來實現(xiàn)，這些被稱為數(shù)字信號處理器高性能控制器正迅速被市場采用，這推動了它們的價格穩(wěn)步下降。即使是低成本的數(shù)字信號處理器也可以執(zhí)行復(fù)雜的算法，以提高噪聲控制、變速、能源效率等領(lǐng)域的電機(jī)性能。過去，帶有 8 位微控制器的基本數(shù)字控制器具有足夠的帶寬來實現(xiàn)基本速度控制。
隨著電機(jī)控制算法的復(fù)雜性已經(jīng)增加，對更高性能和更可編程解決方案的需求也在增加，數(shù)字信號處理器提供了此類應(yīng)用所需的大部分帶寬和可編程性。具體而言，低成本數(shù)字信號處理器的帶寬使用實現(xiàn)了以下特性：1、比例-積分-微分 (PID) 控制以提高精度，2、無傳感器算法可消除昂貴的速度和電流傳感器，3、隨機(jī)脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 以減少噪聲和輸入濾波器尺寸，4、紋波補(bǔ)償算法可減小驅(qū)動器的直流母線電容器尺寸，5、功率因數(shù)校正 (PFC) 以消除專用 PFC 控制器?；蛟S數(shù)字信號處理器最大的長期好處是驅(qū)動器接口的標(biāo)準(zhǔn)化，驅(qū)動系統(tǒng)的完全數(shù)字化，以及與上層和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)傳輸”更容易的手段，便于監(jiān)控和診斷系統(tǒng)故障。
結(jié)論
BLDC 電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計不僅克服了成本問題，而且提供了傳統(tǒng)直流電機(jī)無法實現(xiàn)的 電機(jī)驅(qū)動器性能。實施不需要轉(zhuǎn)子位置反饋傳感器的無傳感器電機(jī)驅(qū)動器是BLDC 電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計的最新趨勢之一，可以節(jié)省成本。電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)PWM 開關(guān)策略的變化有望消除與轉(zhuǎn)矩脈動相關(guān)的問題。 BLDC 電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的另一個主要趨勢是將 BLDC 電機(jī)和驅(qū)動電子設(shè)備集成到單個封裝中，以簡化系統(tǒng)、最大限度地減少互連電纜、降低噪音并解決電機(jī)驅(qū)動兼容性問題。
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