如何輕松設(shè)計三相 BLDC 電機的正弦無傳感器控制

您是否曾想過，三相 BLDC 電機控制解決方案的開發(fā)可以像使用模擬 IC 構(gòu)建應用電路一樣簡單，添加一些分立無源元件即可完成任務?有沒有一種解決方案可以消除復雜的電機控制軟件開發(fā)的負擔?

為了回答這些問題，讓我們首先深入了解并使用現(xiàn)成的標準組件虛擬構(gòu)建正弦無傳感器電機控制的系統(tǒng)框圖。正弦、無傳感器控制需要復雜的 16 位和/或 32 位微控制器 (MCU)，時鐘頻率在 ~25MHz-50MHz 范圍內(nèi)，集成多通道 10 位 ADC，帶 16 位計數(shù)器的 PWM 模塊，串行用于監(jiān)控的通信能力和實時調(diào)試支持。MCU 及其嵌入式軟件對電機控制系統(tǒng)執(zhí)行非常重要的功能?；谕ㄟ^ ADC 感測的電機電壓和電流信號，它求解控制算法的數(shù)學方程，并生成旋轉(zhuǎn)電機所需的 PWM 控制信號。當然，MCU 產(chǎn)生的 PWM 信號不能直接用于驅(qū)動電機，因為這些信號大多是 3.3-V/5-V 電平信號，沒有太多的電流驅(qū)動強度。這些信號在將它們應用到三相 H 橋之前需要通過前置柵極驅(qū)動器進行放大。雖然三相 H 橋?qū)嶋H上為電機提供所需的電壓和電流，但前置柵極驅(qū)動器部分執(zhí)行兩項重要任務：(1) 為 FET 柵極提供所需的峰值電流，以便在該范圍內(nèi)快速打開/關(guān)閉它們10 kHz-30 kHz 和 (2) 電平轉(zhuǎn)換三個高端 FET 的 PWM 信號。這些是 BLDC 電機控制系統(tǒng)最重要的構(gòu)建模塊(如圖 1 所示)，但這些模塊不足以構(gòu)建完整的解決方案。這些信號在將它們應用到三相 H 橋之前需要通過前置柵極驅(qū)動器進行放大。雖然三相 H 橋?qū)嶋H上為電機提供所需的電壓和電流，但前置柵極驅(qū)動器部分執(zhí)行兩項重要任務：(1) 為 FET 柵極提供所需的峰值電流，以便在該范圍內(nèi)快速打開/關(guān)閉它們10 kHz-30 kHz 和 (2) 電平轉(zhuǎn)換三個高端 FET 的 PWM 信號。這些是 BLDC 電機控制系統(tǒng)最重要的構(gòu)建模塊(如圖 1 所示)，但這些模塊不足以構(gòu)建完整的解決方案。這些信號在將它們應用到三相 H 橋之前需要通過前置柵極驅(qū)動器進行放大。雖然三相 H 橋?qū)嶋H上為電機提供所需的電壓和電流，但前置柵極驅(qū)動器部分執(zhí)行兩項重要任務：(1) 為 FET 柵極提供所需的峰值電流，以便在該范圍內(nèi)快速打開/關(guān)閉它們10 kHz-30 kHz 和 (2) 電平轉(zhuǎn)換三個高端 FET 的 PWM 信號。這些是 BLDC 電機控制系統(tǒng)最重要的構(gòu)建模塊(如圖 1 所示)，但這些模塊不足以構(gòu)建完整的解決方案。(1) 為 FET 柵極提供所需的峰值電流，以便在 10 kHz-30 kHz 范圍內(nèi)快速打開/關(guān)閉它們;(2) 對三個高側(cè) FET 的 PWM 信號進行電平轉(zhuǎn)換。這些是 BLDC 電機控制系統(tǒng)最重要的構(gòu)建模塊(如圖 1 所示)，但這些模塊不足以構(gòu)建完整的解決方案。(1) 為 FET 柵極提供所需的峰值電流，以便在 10 kHz-30 kHz 范圍內(nèi)快速打開/關(guān)閉它們;(2) 對三個高側(cè) FET 的 PWM 信號進行電平轉(zhuǎn)換。這些是 BLDC 電機控制系統(tǒng)最重要的構(gòu)建模塊(如圖 1 所示)，但這些模塊不足以構(gòu)建完整的解決方案。

例如，要從高壓直流向 MCU 提供 3.3 或 5V 的直流電源，為柵極驅(qū)動器生成 12V 的電壓，就需要一個 dc-dc 轉(zhuǎn)換器。同樣，需要感測直流母線電壓以有效運行控制算法、保護功能和電機電流。使用電阻分壓器可以直接進行電壓檢測，但電流檢測在系統(tǒng)中增加了外部分流電阻器和差分放大器。

現(xiàn)在想象一下，使用分立的現(xiàn)成設(shè)備轉(zhuǎn)換為實際設(shè)計。完成原理圖需要幾頁原理圖和幾天的時間。然后，完成布局并構(gòu)建 PCB 將需要數(shù)周時間，而軟件開發(fā)則需要數(shù)周時間。軟件開發(fā)意味著為無傳感器、磁場定向控制算法及其相關(guān)數(shù)學塊、Clarke/Park 變換、空間矢量調(diào)制 (SVPWM)、比例 + 積分 (PI) 控制器和速度/位置觀測器構(gòu)建源代碼。因此，正如您所見，開發(fā)電機控制解決方案可能非常復雜且具有挑戰(zhàn)性。

直到，您找到 TI 的DRV10983。該 IC 為三相 BLDC 電機的正弦無傳感器控制提供了一個完整的單芯片系統(tǒng)解決方案。DRV10983能夠在 24Vdc 下提供高達 2A 的連續(xù)驅(qū)動電流。

基于 FET 的三相 H 橋電機控制解決方案的所有構(gòu)建模塊(包括相關(guān)的分立元件和電機控制算法)都集成在DRV10983中。

只需在DRV10983周圍添加一些分立無源器件，即可完成整個系統(tǒng)解決方案。與使用分立 MCU、柵極驅(qū)動器和 FET 開發(fā)傳統(tǒng)解決方案相比，開發(fā) PCB 布局要簡單得多且成本更低。布局完成后，您只需使用 SDA/SCL 輸入通過 I 2 C 接口設(shè)置電機電路參數(shù);使用電位器或 PWM(上面未顯示)提供速度命令并開始運行電機。有關(guān)詳細信息，請參閱DRV10983 數(shù)據(jù)表。