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正弦波驱动超前角怎么控制?有了这个器件可以省事一半

助工
2020-04-03 21:25:45    评分

近年来,随着家电产品的无绳化、小型化和节能环保的推动;电动汽车、HVAC的增长,以及半导体和锂电池技术的发展,推动了BLDC电机的快速发展,BLDC控制驱动技术成为行业研究新方向,电子发烧友希望通过举办BLDC控制研讨会,构建电机行业交流,实现经验分享与探讨,促进电机控制技术发展。但2020年一场突如其来的疫情给我们的工作生活带来了不便,原本计划的线下电机研讨会也因为疫情原因改为线上发布,然而此次研讨会的热度却不逊色于线下,报名观看人数达1901人,ROHM、中电港、ST等厂商参与此次大会并做了电机技术与发展前景方面的分享,大会期间还穿插着抽奖活动,观众参与度高。
 
此次大会ROHM的设计工程师刘烁给我们分享了电机驱动技术,刘烁在电机驱动方面拥有丰富的现场问题对应经验,他的分享让工程师们收获良多。
 
随着经济社会发展,工业化与自动化水平的提高,电机作为主要的动力源泉,消耗的电力占到全球电力消耗的40%,许多国家都在推动电机往节能化方向发展,其中日本推出了变频技术并得到广泛使用。
 
我国作为制造大国,工业电机使用量巨大,同时在家电电机使用数量上达到全球第一,这在一定程度上使得消耗的电力增加,节能技术的发展变得刻不容缓,节能技术的发展带动整个电机行业技术升级,由早期的感应电机到后来的镍锌铁氧体永磁电机,再到后来的变频控制的同步电机,每次电机的升级都代表着整个行业的变迁。
 
对于电机模型刘工谈到电机转动会出现切线方向力矩为0,此外电机每转动半圈都需要进行一次换向,而直流有刷电机就能解决这两个问题。直流有刷电机将3个线圈分布在不同方向上,通过碳刷与磁场触点位置不同进行换向,从下图输出力矩的曲线上可知直流有刷电机输出力矩存在波动,但没有死点。


直流有刷电机作为使用最广泛的电机,一定有许多优点,比如结构简单、驱动电路简单甚至可以不用驱动电路,只需接上电源即可。但有刷电机也存在一些缺点,由于使用碳刷进行换向,必要造成碳刷磨损严重,触点位置容易产生火花等。为解决这个问题,无刷电机成为一种非常好的解决方案。
 
无刷电机通过使用电子元器件来实现换向,避免了碳刷磨损,延长电机使用寿命,同时更容易实现高转速。无刷直流电机通过驱动电路进行换向,而驱动电路主要是由一个控制IC与三级功率驱动器件组成,功率输出器件可选择大功率输出的MOSFET也可以选择IGBT,当然还需要对电机转子位置检测,霍尔传感器就是其中的一种解决方案。
 


方波驱动作为无刷电机一种常用驱动方式,它结构简单但也在一些问题,最常见的就是振动与噪音大,当我们不考虑线圈电感的影响时,输入理想的方波电流,力矩仍然存在波动。当考虑到线圈电感时,换向过程会发生急剧的充放电,造成较大的振动与噪音。为解决这个问题,技术人员开发出了梯形波驱动。


通过在换相时通过PWM使电流平缓衰减,降低振动与噪音,同时在本身没通电的60度区间进行通电,在一定程度上提高了电机运行效率。然而梯形波并不能完全解决这个问题,随着功率器件的发展,正弦波驱动成为解决振动与噪音的根本解决方式。
 
通过输入一个与反电动势相同相位的正弦波电流,在理想条件下,可以消除力矩波动,但实际应用中线圈中存在电感,容易出现电流相位滞后于反电动势,此时输出力矩会下降,也就是效率的下降,为解决这个问题最容易想到的就是将输出电压相位加上一个超前角度。
 
正弦波驱动能有效降低振动与噪音,成为一种使用比较广泛的驱动方式,但超前角度不容易控制,超前角度太大与太小都会影响电机的效率。在不同超前角的实验结果如下图,正弦波控制能有效消除噪音,但超前角如果没配合好,也会造成效率下降。
 


要实现对电机的控制,需要考虑驱动之间开关速度以及控制IC的输出斜率大小,为此ROHM提出了一种正弦波解决方案,通过将驱动电路框架集合到控制逻辑IPM中,设计者无需再对IC控制三级驱动与功率器件的细节进行调整,同时能实现对超前角0~40°范围的控制,有效降低设计难度。


此次电机研讨会刘工的电机驱动控制分享让我们受益匪浅,在实际运用中,根据不同场合可以选择合适的驱动方式,而正弦波驱动方式凭借其低噪音、低振动的特性,运用在空调风机、散热风扇等产品中,应用范围广泛。




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