汽車電機控制方案—單相無刷直流電機

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 引言

無刷直流電機轉(zhuǎn)子采用磁鋼勵磁，定子采用集中繞組，取消了電刷和換向器，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、維護需求低的特點，按照其繞組相數(shù)可以將其分為單相無刷直流電機和多相無刷直流電機兩大類。

汽車上應用的發(fā)動機冷卻水泵、冷卻風機、空調(diào)壓縮機電機等功率較高、轉(zhuǎn)速控制范圍較廣的使用三相無刷直流電機居多。而單相無刷直流電機被廣泛應用于對電機啟動性能不高、轉(zhuǎn)矩脈動要求不高的小功率散熱水泵、小功率風機中。ZLG推出的單相無刷直流電機方案適用于小功率散熱水泵，可以通過PWM單線雙向控制，適用于12V系統(tǒng)下50W左右的電機。

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 認識單相無刷直流電機

單相無刷直流電機和三相無刷直流電機的結(jié)構(gòu)相似，定子主要由定子鐵芯和電樞繞組所組成，轉(zhuǎn)子主要由永磁體構(gòu)成。它們的轉(zhuǎn)子的永磁體被充成一定的磁極對數(shù)，定子鐵芯通常由磁軛和凸極所組成，定子上只有一相電樞繞組，其電樞繞組的具體連接方式如圖1所示。

 

圖1 單項無刷直流永磁電機的示意圖

單相無刷直流電機的定子上有一相電樞繞組W。當電樞繞組W內(nèi)通過電流Ia時，便產(chǎn)生定子磁場Fa，如圖2（左）所示，如果電樞繞組內(nèi)的電流Ia改變方向，即由“+”變?yōu)椤?”時，定子磁場Fa的方向由“+Fa”變?yōu)椤?Fa”，如圖2（右）所示。由此可見，繞組W內(nèi)的電流Ia方向每改變一次，定子磁場Fa的方向也隨之改變一次。在一個電氣周期內(nèi)，即在360°電角度范圍之內(nèi)，電動機的定子磁場有兩個磁狀態(tài)，夾角為180°電角度，即每一個磁狀態(tài)角αz為180°電角度。

 

圖2 單相無刷直流永磁電機的定轉(zhuǎn)子磁場

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 電子換向電路

為了實現(xiàn)上述的運行要求，單相無刷直流電機的結(jié)構(gòu)和功率驅(qū)動級電路如圖3所示，電機運行時，驅(qū)動模塊在換向邏輯信號的控制下，功率開關晶體管Tr1、Tr2和Tr3和Tr4將輪流導通，從而電樞電流i(t)就以“正向”和“反向”的方式輪流通過電樞線圈W。電樞線圈的導通順序與功率開關晶體管的導通順序之間的關系如表1。為了檢測電機轉(zhuǎn)子位置，通常還需要使用一個霍爾傳感器來定位。

 

圖3 驅(qū)動級電路

表1 電樞繞組導通順序與功率開關器件導通順序的關系

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 ZLG方案介紹

Magniv S12ZVMB系列是NXP推出的高集成度汽車電機控制專用芯片，內(nèi)部集成LDO、柵極驅(qū)動器、LIN物理層、高壓輸入IO，僅需搭配MOS管H橋、1個霍爾傳感器及必要的基礎元件即可構(gòu)成完整的單相直流無刷電機控制系統(tǒng)。其特性如下：

• 無需外部電源芯片，集成電源管理模塊為芯片內(nèi)部、外部提供電源供應；

• 無需外部MOS驅(qū)動芯片，集成的MOSFET柵極驅(qū)動單元；

• 高壓輸入接口，PWM可通過LIN接口輸入，無需外部電平轉(zhuǎn)換電路；

• MCU的EVDD引腳可供電給霍爾傳感器；

• 極少器件：4個H橋MOS，實際采用兩個Dual Die封裝的N-MOS即可，1個防反接MOS，可根據(jù)客戶需要設計其他防反接電路；1個霍爾傳感器，用于采集電機轉(zhuǎn)子位置。

圖4 方案框圖

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ZLG基于Magniv S12ZVMB系列推出了單相無刷直流電機控制方案，具有集成度高、BOM器件少、性能穩(wěn)定的特點。其特性如下：

• 符合AEC-Q100的電機專用芯片

• 單霍爾接口電路

• 防反接保護電路

• 單面放置器件

• 單線雙向PWM調(diào)速、通訊及故障反饋

• FreeMASTER可視化調(diào)試/配置

• 靜態(tài)電流小于3mA

• 工作溫度-40°C至150°C

• 過壓、欠壓、過流等故障檢測電路

• 堵轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)、低速、過溫等故障保護算法

• 可定制調(diào)速方式及協(xié)議

• 完整的軟件/硬件設計參考

 

圖5 實物

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 結(jié)語

ZLG推出的單相無刷直流電機控制解決方案，硬件上使用高集成度MCU、全汽車級器件，軟件上使用高效率驅(qū)動算法，具有全面的檢測保護機制，提供完整C代碼支持，可以作為廠商在單相直流無刷電機控制中的快速開發(fā)參考設計。ZLG可提供詳細的《硬件設計指南》、《軟件開發(fā)手冊》、《電機調(diào)試指南》等設計過程參考文檔，幫助廠商搶占市場先機。