原创 在 BLDC 电机中使用空间矢量 PWM 控制可提高效率

作者：简文烯 飞兆半导体

研究表明，在普通现代家庭的总耗电量中，高达 70% 的电力皆由冰箱、洗衣机、空调、风扇和吸尘器等电器的电机所消耗。 例如，2007 年台湾的总耗电量为 1172 亿度，其中，电机的耗电量约为 800 亿度。根据台湾工程研究所的研究，如果电机能效提高 10%，则每年可省电 100 亿度，相当于一座大型核电站所生产的电力。

目前，最优质的节能家电通常使用无刷直流 (brushless DC,BLDC) 电机，因为与交流电机及有刷直流电机相比，它们的体积更小，更为安静且更具可靠性，运行效率更高。

使用空间矢量 PWM 控制的好处
不过，提及控制 BLDC 电机，设计师们仍有诸多选择。 在消费类产品中，空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 是一个绝佳的选择，因为它可提供相当高的准确度，降低噪音，减少总谐波失真 (THD)，而且价格相当实惠。

SVPWM 利用相对成熟的技术产生基础正弦波。 其中包括通过在转子和定子之间形成圆形旋转场所产生的三相波形。 SVPWM 控制器利用通过不同切换模式所产生的场通量来接近基础圆磁场。 为启用切换控制并创建所需的PWM 波，控制器会比较所产生的实际磁场和基础圆磁场。 在 BLDC 电机中，控制器和电机被视为一个整体装置。 SVPWM 控制器通过内切多边形的方式接近圆磁场，产生恒定的场幅和圆磁场。

SVPWM 使用的磁通量法
SVPWM 控制器使用其中一种磁通量法（共两种）：开环或闭环。开环法使用两个非零矢量加一个零矢量，生成一个等效电压矢量。 电压矢量仅受取样时间限制。 使用开环法生成的输出电压通常比使用正弦调制生成的输出电压高 15%，并且有效谐波电流之和接近最小值。 然而，开环法也有缺点，它无法克服低速运行时具有较高阻值的定子电阻的影响。 闭环法通过引入磁通量反馈来控制通量和变化率，克服了这个问题。 通过比较预估磁通量与给定磁通量的比较，最终确定可产生所需 PWM 波的下一个电压矢量。 因而可提高性能，减少振动和噪音。

Fairchild 提供了几种电机控制器，特别适用于使用 SVPWM 控制的 BLDC。 尤其是 FCM8201 和 FCM8202 控制器，它们具有两种驱动模式（正弦波和方波），可让设计师基于目标应用优化性能。 正弦波模式适用于吸尘器、空调、冰箱、洗衣机、洗碗机、风扇和其它家电，具有平稳、噪音小及运行时无振动等特点。 方形波模式建议用于大功率输出的应用，如车辆、泵、机床、工业风机和户外用具。 它可提供较高的扭矩，减少开关损耗，但会降低转子反馈的准确性。

FCM8201 和 FCM8202 支持两种运行模式，具有综合保护功能，可减少设计师开发软件保护功能的需要。 如图 1 所示，有三种过流保护： 电流过载保护，其中临界电压 (VOCP_OL) 为 1.4 V；逐周期电流保护，其中临界电压 (VOCP_CYC) 为 1.5 V，及短路电流保护，其中临界电压 (VOCP_SH) 为 2.5 V。

图 1. FCM8201 和 FCM8202 电机控制器中的过流保护

图 2 显示家用风扇中的 FCM8201 和 FCM8202。 系统配备有无线连接，可使用遥控器进行远程控制，还具有智能功能（如可选速度），可让消费者轻松改善家居环境。

图 2. 带 BLDC 电机智能控制的家用风扇方块图

结论
BLDC 电机在降低家用电器能耗方面极具潜力。 Fairchild FCM8201 和 FCM8202 BLDC 控制器以两种驱动模式运行，因此，设计师可量身定制其性能和保护装置，既可增加可靠性，又能节约设计时间。 若与 Fairchild 功率管理产品组合中的其它产品组合使用，这些元器件可快速打造高性能及高效率兼具的家用电器。