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低噪声外部转子BLDC电机适用于风扇应用
摘要 - 无刷直流（BLDC）电机的重要市场是风扇应用，低噪声噪声越来越重要。 外部转子电动机对于节省空间的风扇电机单元特别有利。通过换向策略可以大大影响电机的声学噪声。 使用空间矢量分析了整流过程。 使用新的调制策略，电机噪声已经大大降低。
一．风机应用电机
外罩转子电动机，其中整流罩转子围绕固定定子旋转通常用于风扇应用中。 它们的定子绕组可以使用数控绕线机或非常快速的飞轮技术生产，这取决于线径。 单齿绕组产生非常短的卷绕头长度，从而允许节省空间的设计并减少铜损。
电机轴集成到转子结构中。 对于离心风机（图1），外转子电机可以安装在风扇叶轮本身内。对于轴流风扇，叶片可以直接安装在转子上（图2）。 这两个版本都能节省空间的风扇电机。风扇中所有旋转部件之间的牢固连接也可确保精确平衡。 因此，转子轴承承受较低的应力。此外，马达直接定位在空气流中，提供更好的整体冷却，延长了机器的使用寿命。
具有常规（有刷）直流电机的风扇只能在相对较少的运行时间内使用。 开关磁阻电机由于噪声不良而不优选。 因此，主要是感应电机和无刷永磁（BLPM）电机被用作风扇驱动器。
最近出版了一些关于PM电机的新概念，例如，具有固态起动器的主馈电同步电动机[1]或使用负载换向变换器的无刷PM电动机[2]。 然而，只有电子换向（EC）电动机，也称为无刷直流（BLDC）电动机，被广泛应用。 这些电动机由于其宽的速度范围，容易的速度控制性，高效率和长的寿命期望，对于风扇应用是特别有利的。
由于风扇通常不需要高起动转矩，所以也可以使用低成本的单相双相和单相单相BLDC电机（图3）。 这些电机不能从所有转子位置产生电力转矩。 为了确保安全起动，定子具有特定的设计（图4）。 定子叠片和转子中的永磁体之间的可变气隙产生辅助磁阻转矩。 该转矩确保转子始终在静止位置的中性区域之外。 然而，脉动场和高磁阻转矩增加了声学噪声。三相双极BLDC电机（图5a）产生较少的电机噪声，因此它们优于噪声敏感应用，如办公空间，洁净室等的HVAC应用。 在本研究中，PWM调制策略对三相BLDC的声发射的影响对电机进行了调查和实验验证。
二． 对三相BLDC电动机的分析进行了研究和实验验证。
BLDC电机是具有由换向电子器件供给的梯形气隙磁通密度的永磁同步电动机。 电机以自同步方式运行; 变频器输出频率取决于转子转速。 因此，BLDC电机的特性与传统的直流电机非常相似。
最常见的是，在三相BLDC电机中，只有两相电流同时馈电。 三个数字Halleffect传感器检测转子的磁场。 每个转子旋转60°时，其中一个传感器交替地改变其输出电平。 在这些情况下，应用换向序列的下一步，并且电流从一个相位转换到下一个阶段（图5b）。
马达的声学噪声可以通过换向策略显着地影响。 可以使用空间矢量来分析换向过程[3]。 在图1所示的步骤1中， 如图5b所示，例如，晶体管T1和T4是有效的。 因此，阶段a和b是电流馈电的。 端子a和b之间的电压由换向电子单元预设：
Vab = VAB (1)
第三端子的电位由中性点的电位和由转动永磁转子引起的内部电压（e）决定。 在同步电动机中，后者被称为同步电动势。
由于在步骤1期间相c没有电流，该相位中的定子电压等于内部电压：
V C= ec (2)
根据（1），定子电压空间矢量的端点形成一条线，如图1所示。 满足条件（2）的电压空间矢量位于另一条线上。 内部电压e的空间矢量也位于该线上。 由于实际定子电压的空间矢量必须满足（1）以及（2），空间矢量v的终点等于这两条线的交叉点。 根据（1）和（2）的线是垂直的，可以通过投影内部电压e的空间矢量（图7）来获得定子电压v。
在这个图中，方程式的一行
Vc = 0 （3）
也显示。 该条件意味着无电流相的内部电压等于零; 也就是说，相应的端子（在这种情况下是端子c）和中性点的电位相同。 因此，可以通过将无电流相的电位与中性点的测量或模拟电位进行比较来检测根据（3）的条件。 因此，可以用低成本的电子电路检测满足条件（3）的情况。 此外，可以从图1中看出。 如图7所示，在该（检测）时刻的定子电压空间矢量与下一个换向步骤时相同的空间矢量之间的电角保持恒定在30°。 因此，无需像霍尔效应传感器这样的位置传感器即可轻松估算换向的时刻。
无刷直流无传感器控制技术电机（BLDCM）基于反电动势（EMF）检测方法已广泛应用于工业，试用和商业领域。我们知道，大小反电动势与电动机转速成比例，所以反电动势检测方法无法适用电机处于静止或低速。为了解决这个问题已经开发出很多方法。之一他们通常被称为3步启动方法以使转子在预定方向上首先对准，然后在开环方案之前加速电机应用反电动势法。这种启动方法很容易实施，但往往受到负载的影响，一般会导致反向旋转应用程序。由于上述缺点，基于饱和效应的其他类型的启动方法定子铁开发，其中响应曲线，短时间电压脉冲下定子绕组的电流用于检测转子位置。
在本文中，短脉冲感测方法，所以基于定子铁的饱和效应和意志在启动期间不会引起任何反向旋转或振动过程，被提出来定位和加速转子。 的说明了硬件实现的结构图在图1中。 1，其中电流传感器用于放大检测电阻Ri的端电压和电阻网络用作分压器。 端子电压这反映了反电动势信息被采样集成在微控制器中的A / D转换器。
三相绕组中的两个每次都通电，并且可以动态地确定转子位置。 启动和反电动势控制过程之间的切换时刻的选择是关键点，因为不合适的切换时刻可能导致电机进入或停止。 在本文中，分析所有功率器件关闭时端子电压与换向相位之间的关系，以确定最佳切换时刻。
如图所示。 1，如图3（a）所示，首先激活高侧功率器件VT1和低侧功率器件VT6，其可以表示为A B - 所得的磁场由F表示，e表示高侧功率设备VT3和低侧功率器件VT4被激活，并被表示为B A -，F34表示所得的磁场。如果转子的北极与所得磁场F16的方向相同，并且与F34的方向相反，A B - 状态的响应电流的峰值大于B - A 该条件可以用二进制数1表示，相反地表示为0.因此，转子的北极位于180o内。通过使用与B C - 类似的程序，C B -，C A -和A C -，转子位置可以缩小到60o，这足够适当的换向，如图3（b）所示。这个范围可以用图4所示的三个二进制数表示。
三．脉冲宽度调制对声音噪声的影响
由于BLDC电动机的特性与传统的直流电动机的特性非常相似，因此可以通过影响电动机电压来实现速度控制。 有不同的方法来实现这一点。 最常见的是，两个有源开关之一是脉冲宽度调制的。 如果例如开关T1和T2有效（图5b中的步骤1），并且其中一个被接通和断开，则电压vab分别等于VDC和零。 如图所示。 如图8所示，如果晶体管T1和T2导通，则定子电压（v）的空间矢量等于von。 如果T1或T2关闭，则空间矢量v将变为voff。 由于定子绕组的电感很大，定子电流与由平均定子电压vpwm馈送的电动机的电流类似，这对应于pwm调制深度。
然而，根据哪个晶体管被调制，换向过程存在差异。 在根据图1的状态1和2之间的换向时。 如图5b所示，例如，晶体管T4将被断开并且晶体管T6导通。 在整流过程中，相b中的电流保持流过二极管D3。 如果刚刚接通（在这种情况下为T6）的晶体管被调制，电动机电压v在vonne;0和voff =（图9a）之间交替。 如果T1而不是T6被调制，则voff不等于零（图9b）。 因此，换向过程取决于哪个电子开关被调制。
不同的电压轨迹（图10）产生不同的电流轨迹和不同的声学噪声模式。 对应于图1的换向过程 9a较慢，根据实验检查，电机噪声更为有利，尤其适用于外转子风扇电机。 如果仅在同一DC总线侧的晶体管被调制，例如在低端：T2-T4-T6，则出现最坏的情况。 在这种情况下，根据图1进行换向。 9a， 9b，交替地。 因此，除了根据图1进行换相的调制处理的振动之外，还产生具有半频的振动。 9a。 在后一种情况下（图11），所有的晶体管依次被调制（T1-T6-T3-T2-T5-T4）：
图9 . 根据哪个晶体管被调制用于速度控制的换向处理（a：T6，b：T1）
图10 . 在与图9a和图9对应的换向过程中定子电压的空间矢量。
图 11. 导致定子电压轨迹的六步换向序列对应于图10a
因此，功率晶体管之间的开关损耗也同样有利于热设计。
四．低噪声12步指令
具有梯形气隙密度的BLDC电动机的通常换向方法是上述六步换向，除了换向过程之外，三相绕组中只有两个在任何时候被激发。 该解决方案的优点是高的电动机利用率和廉价的换向电路。 控制电子设备并不昂贵，晶体管的开关损耗保持较低，因为在任何时候只有一个功率晶体管被调制用于速度控制。 此外，可以使用简单的无传感器位置估计器。
具有正弦气隙磁通密度的永磁同步电机也存在。 这些电机可以很好地用于噪声敏感的应用。 然而，它们的磁力利用率低于BLDC电机。 由于所需的三相正弦调制，控制电路更昂贵。 另外，与无刷直流电动机相比，无传感器位置估计器的实现更加困难。
所谓的12步换向方法代表了一个有趣的妥协。 在这种情况下，可以使用具有梯形气隙磁通密度和高磁性利用率的电动机。 与传统的6步换向相反，插入了所有相绕组被激励的附加状态（图12）。 各个步骤在30°的电动旋转角度后交替。 将定子电压空间矢量（图13）的轨迹与6阶换向（图7）的轨迹进行比较，可以看出条件va = 0，vb = 0，vc = 0， 可以以类似于6步换向的方式用于低成本位置估计[4]。
图13. 内部电压（e）的空间矢量和定子电压（v）的空间矢量在12阶换向
五，低噪声，无传感器BLDC电机
提出的12步换向和鲁棒无传感器位置估计的组合使得低噪声运行成为可能，低系统成本和高可靠性。
已知大量的原理可以实现传感器无转子确定转子位置[5]。 这些通常基于复杂的数学方法和高复杂度的模型，以满足典型驱动应用的严格要求。 然而，对于风扇应用，不需要低速下的高扭矩和高动态特性。 因此，最佳解决方案是仅使用有关相电压va，vb，vc的极性的信息的鲁棒和低位位置估计。 该方法的重要优点是可以与多种电机配合使用，无需参数调整。
例如，相位电压va是端子“a”（phi;a）的电位与中性点（phi;0）的电位之差。 图。 图14显示了位置估计过程的原理。 在时间t1，相位“a”的上部开关被切断。 电机电流可以通过下开关的相反反向二极管流动。 电流下降，直到时刻t2，相电流为零。 紧接着，可以检测出未定子定子相“a”的内部电压。 在时刻t3，端子电位phi;a等于中性点电位phi;0。 该事件（零交叉）由控制电路用于检测转子位置并在此阶段打开底部驱动器。
图 12 .低噪声12步换向序列
图14.无传感器转子位置检测方法：相位“a”端电位（phi;a），中性点电位（phi;0）
在风扇和泵的情况下，扭矩随着速度的平方而增加。 因此，相电流也上升。 这导致相绕组的时间段增加以获得电流（间隔t1-t2）。 同时，由于速度的增加，换向步骤（间隔t1-t3）变短。 当t2ge;t3时，不可能识别转子位置。 需要采取预防措施，以确保绕组连接在过零点之前停止运行电流，特别是在高速范围和加速期间。 这可以通过适当的调制策略和通过对换向角的适当调整来实现。
图15示出了用于BLDC电动机的无传感器换向的所提出的系统的示意图。 可以在电机端子上测量的电位通过低通滤波器（LPF），以抑制PWM信号并降低电机电源线的噪声。 已经发现相位频率响应的补偿是有利的。 电机绕组连接可测量的电压通过低通滤波器（LPF）引导，以抑制有用信号和干扰信号注入中的脉宽调制（pwm）。 因此，比较器（Pa，Pb，Pc）的输出信号基本上对应于相绕组电压va，vb，vc的极性。 这些信号可以使用低成本的8位微控制器进行处理，这些微控制器使用它们来估计转子位置并适当地启动线路链路。
图15. 所提出的无传感器控制系统示意图
图16. 离心式风扇单元（Oslash;400 mm），外置转子BLDC电机在噪声测量室
图 17. 比较6步（a）和12步（b）换相方法之间的声压级
六， 实验结果
采用集成外转子电机的后向弯曲离心风机进行实验调查。 在风扇应用中，声学噪声越来越重要。 在高速时，风扇的空气动力学感应噪声非常高，从而无法听到电机噪音。 然而，在低和中速电机振动可能会影响风扇单元的噪音水平。
研究的电动机是一个9槽三芯6极永磁电动机，具有近似梯形的气隙磁通密度。 外转子电动机的声学噪声可以通过调制方式受到很大的影响。 在ebm公司的标准噪声测量（图16）中测量了不改变的相同的风扇单元，但由具有不同控制方式的电子换向电路供电。
对于初步调查，使用了16位固定点DSP系统。 之后，使用低成本的8位微控制器（PIC16C72）实现了所提出的无传感器12阶换向方法。
降噪效果如图1所示。 将12步换向方法的声压级与普通六步换向方案进行比较。 马达的声学噪声显着降低，在临界频率下降低20 dB。 因此，12步换向方法与鲁棒无传感器位置估计的结合使BLDC电机的开发成本降低，并提高了低噪声运行的可靠性。
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