无刷直流(BLDC)电机概述

无刷直流电机具有定子绕线和永久磁性转子。绕线连接到控制电子，且电机内部没有刷子和换向器。电子类似于换向器驱动适当的绕线;在围绕定子旋转的移动模式中驱动绕线。驱动的定子绕线引导转子磁性。

BLDC电机效率更高，运行更快更安静，需要电子以控制旋转场。BLDC电机制造成本更低，易于维护。

驱动BLDC电机需要三相反向器。反向器包含三个半H桥，使用辅助信号控制其高位和低位开关。在关闭高侧开关和开启低侧开关之间保有延迟是非常重要的。这将消除潜在的开关短路。

微处理器

TI的C2000™系列MCU可以通过使用标量或矢量控制技术控制BLDC电机。了解转子位置对于高效控制BLDC电机非常重要。通过连接至电机的霍尔传感器或旋转式编码器能够检测到转子的位置。这些传感器输入用于含传感器的反馈控制系统。

转子位置还可通过使用反电动势电压信息进行估算。此反馈控制模式无需使用传感器和附加接线。位置或度评估器也可用于计算转子位置。

C2000MCU上的集成高速12位ADC转换器、高分辨率脉宽调制器(PWM)和正交编码器输入(QEI)使其适合于实施BLDC电机控制。C2000MCU内核能够在短时间内执行复杂的数学函数，使此MCU系列成为实施矢量控制技术和同时控制多个电机的理想选择。此系列的PWM具有可编程死区延迟，可驱动高侧和低侧闸极驱动器。C2000MCU还可通过使用梯形或正弦控制驱动BLDC电机。

Stellaris®系列MCU向偏爱开放式构架内核的客户提供基于ARM的解决方案。这些MCU还为传感器的控制提供集成ADC、电机控制特定的PWM和QEI输入。其基于硬件的故障检测系统可更快地关闭系统，无需软件干预。这些MCU也可用于实施标量和矢量控制技术。

MSP430器件基于16位RISC架构，在工作模式和休眠模式中具有超低功耗操作功能。通过使用接受较低性能的标量技术，这些MCU可用于BLDC电机控制。集成驱动器可配置为PWM输出并可通过梯形控制控制闸极驱动器。

Hercules®安全MCU可提供基于ARMCortex-R4f的解决方案并被认证为适合用于需要实现IEC61508SIL-3安全级别的系统中。这些MCU还可通过灵活的HET协处理器提供集成浮点、12位ADC、特定于电机控制的PWM及编码器输入。Hercules安全MCU还可用于实施标量和矢量控制技术并支持各种性能需求。

隔离

TI数字隔离器具有逻辑输入和输出缓冲器，这些缓冲器由TI的二氧化硅(SiO2)隔离势垒进行隔离，可提供4kV隔离。

当与隔离电源配合使用时，这些器件可阻止高电压、隔离接地以及防止噪声电流进入本地接地并干扰或损害敏感电路。

接口/连接

传统模拟RS-232/RS-485接口一直是电机控制应用的常见选择。展望未来，设计人员将在其产品中集成主流接口，如以太网、USB和CAN。

TI致力于同时为传统和新兴工业接口提供解决方案。例如，TI最近推出了全世界首款隔离式CAN收发器ISO1050。

电源管理

德州仪器(TI)提供从标准IC到高性能插件、变压器、数字电源MOSFET和集成电源模块的电源管理IC解决方案。从AC/DC和DC/DC电源、线性稳压器和非隔离式开关DC/DC稳压器到PMIC和电源及显示解决方案，德州仪器(TI)的电源管理IC解决方案都能帮助您完成项目开发。

本文设计了一种高精度采样及保护电路，该电路可以对无刷直流电机工作时的三相电流进行实时采集，以便于控制系统进行闭环控制，并对电机和控制系统快速实施保护。最后通过实验证明了该电路精度高、可靠性好，可以有效的保障控制系统和电机的正常运行。

在无刷直流电机控制系统中，电流采样及保护电路作为其中的一个反馈环节，作用是对电机运行时的电流进行实时检测采集，经过处理后，把电流信号转换为控制系统可以识别的小电压信号，让控制系统可以做出相应的控制和保护动作。由于电机电流是交流电流，因此电流采样及保护电路需要具备整流功能，普通整流电路的核心元件是具有单向导电性能的二极管，通常使用1个、2个或4个二极管组成半波、全波或者桥式整流电路。但二极管在小信号时表现为非线性，这将使整流的波形产生失真(小信号部分)，更为严重的是，二极管存在死区电压，在输人信号小于死区电压时，二极管并未导通，因此使输出信号产生严重畸变，引起误差，小信号时这种误差将不可忽略。为了提高精度，文中利用集成运放的放大作用和深度负反馈产生的特性来克服二极管的非线性造成的误差，为某型号无刷直流电机设计了一种可靠性高、精度高的采样保护电路。

1 高精度半波整流电路

整流电路是把正、负交变的电压转换为单极性电压的电路。本文的半波高精度整流电路是在比例放大电路中加入二极管，利用二极管的单向导电性实现正副两半周内引入不同深度的负反馈。按这种思路构成的半波高精度整流电路如图1所示。

在ui》0期间(0～t1、t2～t3)。当ui还很小时，D1和D2均截止，运放处于开环状态，开环放大倍数很大。因此ui只需稍大，就会使u0‘足够大，且为正值。只要u0’大于0.7 V，就会使D1导通，而D2截止(a点为零电位)，因此D1和Rf串联引入了适度的负反馈，这时的电路相当于反相比例放大电路，因此输出为u0=-Rf/R1 * ui。输出u0与输入ui成比例关系，u0与波形-ui的形状相同，但按一定的比例放大或者缩小了，若R1=Rf，则u0=-ui。由以上分析可知，即使输入电压ui小于二极管的起始导通电压，仍有-Rf/R1输出。

在ui《0期间(t1～t2)。当|ui|还很小时，D1和D2均为导通，这时运算放大器处于开环状态，其开环放大倍数很大，因此|ui|只需稍大一些，运放输出u0’就会很大，且为负值，这使二极管D1截止、D2导通，D2的导通给运放引入了深度的负反馈。由于a点电位为零(虚地)，故u0’≈-0.7 V;而D1截止，且a点电位为零，故u0=0，即u0端波无波形。整个过程如图2所示。

例如假设输入信号的频率为50 Hz，在该频率下运放的开环电压放大倍数为5x104，二极管的起始导通电压为0.5V，则最小整流电压(即输入信号)仅为10μA。也就是说只要输入信号大于10 μA，整流器就进入正常工作状态;而对于普通二极管半波整流器，输入电压必须大于0.5 V(5×105μV)才能正常工作，其输入电压是前者的5万倍，可见该电路大大提高了整流精度。图3为该整流电路的传输特性，它是一条过原点斜率为-Rf/R1的直线。

2 电流采样及保护电路的设计

2.1 霍尔传感器

霍尔电流传感器是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足(互感器只适用于50 Hz工频测量;分流器无法进行隔离测量)，可测量任意波形的电流，精度高，动态性能好，工作频带宽，本文中的霍尔传感器采用莱姆(lem)公司的LF205-S，该型传感器的最大电流测量范围是：±200 A，有效测量范围是±100 A，当测量电流在有效范围之类时，输出电压是：±4 V，其测量精度达到1%，动态响应时间小于7μs，跟踪速度di/dt高于50A/μs。

2.2 TL082双运算放大器

TL082是一种通用的J—FET双运算放大器。其特点有：较低的输入偏置和偏移电流;输出设有短路保护;输入级具有较高的输入阻抗内建频率补偿电路，在电流保护电路设计中，使用TL082构成高精度半波整流电路和加法器，而由于TL082为双运算放大器，所以节省了控制板的空间，使得电路的设计更加的简洁和精巧。

2. 3 TL431三段可编程并联稳压二极管

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5 V)到36 V范围内的任何值(如图3)。该器件的典型动态阻抗为0.2 Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，输出为一个固定电压值，计算公式是：Vout=(R1+R2)x2.5/R2

TL431恒压5V输出电路图

图4 TL431恒压5V输出电路图

当R1取值为0的时候，R2可以省略，在本文中，使用TI431构成恒压电压源5 V，给比较器供电。

2.4 采样检测及保护电路的实现

由于霍尔传感器的体积相对较大，所以本文仅仅使用两个霍尔电流传感器对电机A、C两相绕组电流进行检测，将A、C相中的-100 A～100 A大电流转化为-4 V～4 V的小电压信号，再根据无刷直流电机三相电流的特性IA+IB+IC=0，计算得出IB=-(IA+IC)，因此B相电流可以通过对A、C相求和反相得到，从而可以减少霍尔电流传感器的使用数量，缩小体积，削减成本。如图5所示。

B相电流的实现

图5 B相电流的实现

再得到B相电流以后，分别对A、B、C三相相使用TL082构成的高精度半波整流模块进行半波整流，再将整流过的A、B、C三相电压信号求和反相，得到此时进入功率管电流的瞬时值所对应的电压值。

无刷直流电机电流采样保护电路结构图

图6 无刷直流电机电流采样保护电路结构图

在电机的运行过程中，该电路能实时测量电机的电流，并发出两路信号，一路输入到DSP的ADC模块中去，采样电机电流的数字值，从而可以方便的在DSP中实行电流的闭环PID调节。

另一路送到比较电路中，然后DSP采用了两种方式来对电机进行保护。一种是限流保护，当电流增大超过限流电流62.5 A(对应电压值为2.5 V)时，保护电路向CPLD发出限流信号，进而使控制芯片DSP启动相应的限流程序进行操作，调节PWM的占空比，来改变实际加载到电机两端的电压，改变电流大小;另一种是停机保护，如果电流由于某些原因，继续增大到停机电流80 A(对应电压值为3.2 V)时，DSP就会启动停机程序，立即关断所有的功率管，电机马上停止运行，这样可以防止由于电流过大而引起的对功率管或者电机的损坏，从而提高系统的可靠性。

2.5 实验结果

电流采样及保护电路实验波形如图7所示。

采样电路实验波形

图7 采样电路实验波形

在图7中通道1输入A相经过电流传感器后的波形曲线，通道2输入C相经过电流传感器后的波形曲线，通道1和通道2相位相差120。，幅值，通道3为A、B、C三相信号经过求和反相后的波形，平均幅值为1.48 V，符合理论分析结果。

3 结论

该电路利用了放大器的原理提出了一种高精度电流采样的方法，并且结合了过流保护、停机保护的功能，从而能保障无刷直流电机的安全运行。目前该电路已经应用于某型号无刷直流电机的控制系统中，实际应用中也证明这个电路可以对电机的实时电流进行高精度检测采样并且及时、可靠的保护好电机。

高度集成的半导体产品不仅是消费类产品的潮流，同时也逐步渗透至电机控制应用。与此同时，无刷直流(BLDC)电机在汽车和医疗应用等众多市场中也呈现出相同态势，其所占市场份额正逐渐超过其他各类电机。随着对BLDC电机需求的不断增长以及相关电机技术的日渐成熟，BLDC电机控制系统的开发策略已逐渐从分立式电路发展成三个不同的类别。这三类主要方案划分为片上系统(SoC)、应用特定的标准产品(ASSP)和双芯片解决方案。

这三类主要方案均能减少应用所需的元件数并降低设计复杂度，因此正逐渐受到电机系统设计工程师的青睐。不过，每种策略都有其各自的优缺点。本文将论述这三种方案及其如何在设计的集成度和灵活性之间做出权衡。

简化三相BLDC电机控制和驱动系统的策略

图1：典型的分立式BLDC电机系统框图

基本电机系统包含三个主要模块：电源、电机驱动器和控制单元。图1给出了传统的分立式电机系统设计。电机系统通常包含一个简单的带集成闪存的RISC处理器，此处理器通过控制栅极驱动器来驱动外部MOSFET。该处理器也可以通过集成的MOSFET和稳压器(为处理器和驱动器供电)来直接驱动电机。

SoC电机驱动器集成了上述所有模块，并且具有可编程性，能够适用于各类应用。此外，它还是因空间受限而需要优化的应用的理想选择。但是，其处理性能较低且内部存储空间有限，因此无法应用于需要高级控制的电机系统。SoC电机驱动器IC的另一个缺点是开发工具有限，例如缺乏固件开发环境。大多数业界领先的单片机供应商均提供种类繁多的易用工具，这一点与之形成鲜明对比。

ASSP电机驱动器面向某一特定领域设计，一切都针对某个狭义应用而优化。其占用空间极小且无需软件调节。此外，它还是空间受限应用的理想选择。图2给出了10引脚DFN风扇电机驱动器的框图。由于ASSP电机驱动器通常专注于大批量生产应用，因此往往拥有出色的性价比。不过，这并不意味着依靠ASSP 驱动器运行的电机需要牺牲性能。例如，大多数现代ASSP电机驱动器能够驱动采用无传感器和正弦算法的BLDC电机，而过去则需要使用高性能单片机才能实现这一点。但是，ASSP产品缺乏可编程性且不能调节驱动强度，这会限制其适应日益变化的市场需求的能力。

简化三相BLDC电机控制和驱动系统的策略

图2：独立式风扇电机驱动器框图

尽管高集成度是当今电子产品的一大趋势，但仍有大量应用对具有丰富模拟驱动器和智能模拟单片机的双芯片解决方案的需求不断增长。双芯片策略允许设计人员从各种单片机中进行选型，支持采用梯形或正弦驱动技术的有传感器换向或无传感器换向。采用此方案时，配套驱动器芯片的选择至关重要。理想的配套芯片至少应包含以下特性：

高效的可调节稳压器，用于降低功耗并为各类单片机供电

监视和后台处理模块，确保电机安全运行并允许主机与驱动器之间进行双向通信

可优化性能的可选参数，无需投入额外的编程工作量

适用于MOSFET或BLDC电机的额定功率驱动器

图3给出了双芯片解决方案示例，其搭配使用功能丰富的三相电机驱动器与高性能数字信号控制器(DSC)来驱动六个N沟道MOSFET，实现了永磁同步电机(即PMSM，一种无刷电机)的磁场定向控制。如果简单的六步控制架构已经足够，则可以使用成本低廉的低档8位单片机来替代DSC。当选择具有近似额定功率的BLDC电机时，即便不改变驱动电路也能实现上述控制。

简化三相BLDC电机控制和驱动系统的策略

图3：具有外部MOSFET的双芯片BLDC解决方案

总的来说，采用SoC和ASSP电机驱动器时，电机系统设计人员不仅使用的元件数最少，而且灵活性也可达中等程度。但是，这类高度集成的解决方案各自有不同的局限性，例如固定的功能、有限的存储容量和处理能力。表1比较了上述三种主要的BLDC电机控制策略。

简化三相BLDC电机控制和驱动系统的策略

表1：BLDC电机控制策略比较

与分立式设计相比，现代电机控制与驱动解决方案不仅降低了物料成本，而且缩短了系统开发时间，同时对构建针对所选BLDC电机进行优化的系统没有影响。半导体供应商提供的硬件以及固件参考设计和库可极大地缩短开发时间，从而加快将高级电机控制和驱动概念投入市场的步伐。