BLDC电动机时代的正弦

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凭借其不断增长的电子内容，现代汽车将节能设计溢价。对于混合电动和全电动车（HEVS和EVS）来说，这是双重的，其中电池是主要或唯一的电源来源。

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• 综合情报第1部分：EMI管理
• 我ntegrated Intelligence Part 2: Motor startup open loop acceleration
• 我ntegrated Intelligence Part 3: Motor startup from standstill position

1.应该使用正弦控制：头盔电动机中的扭矩波纹混淆了Darth Vader（来源：sky.com)

寻找更长的电池寿命已导致无刷DC（BLDC）电动机的采用越来越多。在带有内燃机的传统汽车中，BLDCS电力配件，例如电镜，通风和冷却的风扇以及座椅电动机；在HEV和EVS中，应用扩展到包括以前的机械和液压功能，例如牵引电机，发电机，交流压缩机，水泵和电力驱动执行器。而且，不要忘记两轮汽车应用：BLDC也正在进入摩托车和踏板车燃油泵控制措施。

BLDC的效率更高，扭矩重量比，维护较低，可靠性较高，噪音较低，噪音较低。缺点是它们需要更多的电子电路才能运行。

A brushed dc motor has a wound armature (rotor) placed between the poles of a magnet

（定子），并使用刷子将电流切换到电枢并导致其旋转 - 一种称为换向的过程。相比之下，BLDC的伤口定子带有多个绕组，该绕组围绕着永久性磁铁转子组件。控制器通过监视转子位置并以正确的顺序为定子绕组提供电源来提供电子换向，以启动和保持转子运动。

Figure 2比较典型的拉丝和BLDC电机的驱动电路。拉丝电动机仅需要一个栅极驱动器和电源FET。另一方面，带有电子换向的BLDC电动机需要将六个FET排成三个半桥对，并为每个FET和一个监督设备提供一个栅极驱动器，以控制切换顺序。

2. BLDC要求比早期拉丝直流电动机更复杂的驱动电路。（来源：TI博客：“对更高功率密度的需求驱动创新的电动工具解决方案”）

最简单的控制算法使用梯形换向，其中控制器每60度更改活动阶段以保持旋转。在任何时候，两个阶段被驱动，第三个阶段是断开连接的。每个活性绕组的电流波形遵循从零到正电流的梯形波形，然后再为负电流，然后返回到零。该序列为BLDC扭矩曲线增添了波纹，因此梯形换向主要仅限于更高的速度和应用，在这种速度和应用中，电动机和机械链接将有助于减少效果。

我n low-speed applications—Sith Lord helmet motors, for example—the trapezoidal torque ripple results in uneven operation and acoustic noise. Sinusoidal commutation offers a better approach, as we’ll see.

正弦通勤概述

电动机扭矩的一般方程式是：

t = k_T× I × sin(α)(1)

k_T是扭矩常数，I是通过相绕组的电流，而α是磁场中的转子位置。

对于三相BLDC，电动机扭矩是所有三个阶段的贡献之和。与相电流I_U， 我_V， 和我_W:

t = k_T[我_U罪（α） + i_V罪（α+120） + i_W罪(α +240)](2)

等式2中t的值随旋转而变化，导致扭矩波纹。

我f I_U， 我_V， 和我_Ware sinusoidal with magnitude M and the same phase angles as the above equation:

我_U= m×sin（α）;我_V= M × sin(α +120); I_W= M × sin(α +240) (3)

Combining the two equations yields:

t = k_Tm [罪²（α） +罪²(α +120) + sin²(α +240)] (4)

Naturally, you remember from trigonometry class that:

sin（a + b）= sin（a）cos（b） +（cos（a）sin（b）

and that:

罪²（θ） + cos²（θ）= 1

After much manipulation and substitution of constants, Equation 4 becomes:

t = 1.5 k_TM (5)

扭矩T现在仅取决于电动机常数和电流幅度，并且与转子角度无关。正弦的换门解决了扭矩波纹问题。

Sinusoidal Commutation in the Real World: The Phase-to-Phase Method

纯正弦驱动电压在理论上听起来很棒，但很少在实践设计中使用，因为它们无法为每种电动机绕组而产生相对于地面。首选的方法是产生三个正弦电压之间the three phases. This is done by varying the pulse-width-modulation (PWM) duty cycle (and hence drive voltages) relative to ground using the characteristic profile inFigure 3, rather than a pure sinusoid. When any phase is measured with respect to ground, the waveform is sinusoidally coupled with third-order harmonics; the phase current driving the motor follows the pure sine-wave profile of the phase-to-phase voltage.

3. PWM占空比（a）生成特征性电压到地面曲线（b），从而导致正弦相相位电压和电流（C）。（资源：Ti“ DRV10983-Q1汽车，三相，无传感器BLDC电动机驱动器” PDF，p。14)

This encoding technique is used in the DRV10983-Q1, discussed below. One phase is held at ground while the other two phases are pulse-width-modulated.

无传感器控制降低成本

这traditional way to determine rotor position in the BLDC control system is via a sensor, such as a resolver, optical encoder, or Hall-effect device. The first two devices are expensive, but offer high precision; a Hall-effect sensor offers moderate precision at lower cost.

但是，即使是廉价的传感器也增加了组件数量，增加了BOM成本，并且是另一个潜在的故障来源。为了降低成本和尺寸，BLDC控制设计人员使用正弦算法消除了位置传感器，这些算法使用旋转电动机的后电动力（BEMF）估算转子位置。

BEMF与运动速度成正比。无传感器BLDC控制器不会直接测量BEMF。取而代之的是，它们连续采样相电流，使用它来估计BEMF电压，然后确定转子速度和位置。

无传感器启动

控制系统必须估算BEMF的最低值，以准确估计转子驱动相位的位置。这在启动过程中提出了一个问题：以零速度，没有BEMF信号，因此电动机最初是在开环控制下驱动的，直到其估计的BEMF足够高以实现闭环操作为止。

4. The BLDC sensorless startup profile has three parts: stationary rotor position detection; open-loop operation; and closed-loop operation. (Source:Ti“ DRV10983-Q1汽车，三相，无传感器BLDC电动机驱动器” PDF，p。28)

传感器系统中的BLDC电动机启动具有三个元素：首先，当电动机停滞时；其次，当它在没有BEMF信息的情况下以开环模式开始加速时；第三，当BEMF反馈足够大以进行闭环操作时。序列显示在Figure 4。OP2CLSTHR是开放至闭环阈值 - BEMF足够大的速度。系数A1和A2设定了加速度。

确定初始转子位置

我f the motor is stationary, the algorithm must first know the position of the rotor so that it can begin driving the phases in the correct order.

5. IPD和“ Align and Go”是在运动开始之前对齐BLDC转子的两种常见方法。（来源：TI博客：“我ntegrated intelligence part 3: motor startup from standstill position”）

这re are two common approaches（图5）。这“Align and Go” method applies a fixed current to one phase, ground to the second, and ground or high-impedance to the third. This forces the rotor magnet to align with the energized coils.

这是一种简单的方法，但是有两个缺点。首先，电流的大小和持续时间是电动机特异性的，因此必须为每个应用程序调整系统。其次，转子可以在定居最终位置之前向前或向后行驶。许多电动机设计不允许向后旋转。

第二种方法是初始位置检测（IPD），使用电感测量来确定转子位置。驱动程序以特定序列施加了每对绕组的电压脉冲（图6）并测量六对中每一对电流所花费的时间上升到预设阈值。

6. IPD方法依赖于转子位置和电感器饱和度之间的关系。（资源：Ti“ DRV10983-Q1汽车，三相，无传感器BLDC电动机驱动器” PDF，p。26)

当前的上升时间是电动机绕组中电感的指示。一对绕组之间测量的电感取决于转子位置相对于那些绕组。最短的时间表示最小电感，这是在两个绕组与转子北极最紧密对准的两个绕组之间发生的 - 图5中的phapees v和u。

IPD比对齐更快，但需要其他硬件。像对齐和走一样，必须为每个系统调整它。但是，IPD具有在位置确定期间不移动的转子的优势。

这些启动技术使系统具有特定的转子对齐方式，从而使其能够应用正确的驱动状态以向前方向加速转子。

开环操作

在开环操作期间，电动机没有有关转子位置的信息。开环换向的阶段，也称为盲人换向，非常重要，因为它与系统可靠性直接相关。如果未正确配置盲人换向，电动机将启动，失去同步和失速。

我t’s critical that during the open-loop state, the driver can accelerate the motor to a speed high enough for accurate BEMF estimation while also supporting a load.

达到交接速度OP2CLSTHR后，驾驶员从开放环转换为闭环操作。OP2CLSTHR的值根据扭矩常数k变化_T电动机。较高k的电动机_Tneed a lower hand-off speed, and vice versa.

Driver flexibility is important. Highly desirable features include variable speed profiles to support open-loop acceleration, adjustable current to support a variety of loads, and an adjustable hand-off speed. TI’s integrated drivers support different motor configurations using motor-specific values stored in electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM) registers.

Practical Implementation of a Sensorless Controller

这primary blocks in a BLDC controller with sensorless commutation are:

• 微控制器单元（MCU）或类似设备以运行无传感器算法
• A three-phase half-bridge power stage
• 电动阶段驱动程序
• A means of accurately estimating the BEMF
• MCU和其他块的电源

有多种方法可以分区BLDC控制器，每个BLDC控制器都有相关的权衡。具有单独块的多芯片设计允许为最高的总体性能优化每个功能，但成本最高，最高零件计数和最长的设计时间。相反，单芯片方法可以最大程度地减少设计时间和零件的数量，并降低成本，但它也限制了设计灵活性。Figure 7显示典型的单芯片智能BLDC控制器的内部块。

7.诸如DRV10983之类的集成BLDC驱动程序包括控制逻辑，电源FET和驱动程序，以及保护和通信块。（资源：TI DRV10983-Q1产品页面)

Texas Instruments提供了几种适合汽车应用的智能BLDC控制器。这DRV10983-Q1, for example, is a three-phase sensorless motor driver with sinusoidal commutation（图8）。它包括集成的动力MOSFET，可提供长达2 A的连续驱动电流。

该设备可以通过行业标准i配置²C interface to accommodate different motor parameters and profiles, and features extensive protection and fault-detection features to ensure reliable operation.

8. DRV10983-Q1提供了单芯片传感器控制，并具有正弦的换向和数字或模拟控制。（资源：Ti“ DRV10983-Q1汽车，三相，无传感器BLDC电动机驱动器” PDF，p。1)

换向控制算法连续测量运动相电流并定期测量V_CC电源电压。该设备使用此信息来估计BEMF的价值，并使其在行业标准i上可用²c外部使用的界面。

降压开关调节器有效地向下沿电压电压降低了内部电路和外部设备（例如微控制器）的动力。如果不需要外部电源，则可以将降压开关调节器配置为线性调节器，以节省成本。

DRV10983-Q1可以支持模拟和数字控制输入。除了通过i数字控制²C，它包括方向控制（DIR）和速度命令（速度）输入，以及速度指示器输出（FG）。

该设备还集成了预加载电机参数和操作设置的EEPROM内存。寄存器加载了有关电源或从睡眠模式退出后的EEPROM数据。外部微控制器可以通过i直接写入寄存器来动态更新电动机参数和操作设置²C，绕过EEPROM数据。

DRV10983-Q1适用于许多低成本的汽车应用。它符合严格的AEC-Q100资格标准，以及专门的汽车要求，例如处理高达45 V的负载转储的能力。

这DRV10983Q1评估模块（EVM）提供了一种评估DRV10983-Q1和Ti的无传感器控制算法的方便方法。

结论

单芯片BLDC驾驶员由于其低成本，与拉丝电动机相比和无传感器操作而在竞争性汽车市场中获得了吸引力（原谅我们）。

Texas Instruments offers a portfolio of intelligent BLDC drivers for a wide range of automotive and other applications. Sith Lord helmets, too.

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