無刷直流（BLDC）電機(jī)控制設(shè)計(jì)

BLDC電機(jī)由于消除了傳統(tǒng)直流電機(jī)換向時(shí)使用的電刷而具有顯著的可靠性。刷子磨損，降低了電機(jī)的性能，最終必須更換。相反，在額定參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，BLDC電機(jī)的預(yù)期壽命可超過10，000小時(shí)或更長。與傳統(tǒng)裝置相比，這種壽命以及隨后的維護(hù)和備件成本的降低可以抵消電機(jī)的較高初始成本。

BLDC電機(jī)正在進(jìn)入最具成本意識(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，在汽車領(lǐng)域，BLDC電機(jī)的使用正在飆升。汽車制造商尤其被電機(jī)在機(jī)械工作中轉(zhuǎn)換電能的效率所吸引，這有助于降低對(duì)車輛電力系統(tǒng)的需求(圖1)。根據(jù)分析師IMS的研究，到2018年，6億只BLDC電機(jī)將用于內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的輕型車輛，而2011年則為2億只。(BLDC電機(jī)的大型版本在電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車中已經(jīng)很常見。)

圖1：BLDC電機(jī)，如用于水泵的這種裝置，正在取代汽車應(yīng)用中的傳統(tǒng)電機(jī)(Melexis提供)。

BLDC電機(jī)的這種興趣促使芯片供應(yīng)商為該單元的電子控制系統(tǒng)開發(fā)定制的單片芯片。本文將詳細(xì)介紹BLDC電機(jī)控制芯片 - 用于驅(qū)動(dòng)逆變橋的設(shè)備，最終激活電機(jī)線圈并控制速度和方向等參數(shù)。

減少霍爾傳感器故障

飛兆半導(dǎo)體公司擁有BLDC電機(jī)控制的悠久歷史，最近推出的FCM8201芯片仍在繼續(xù)。該器件專為感應(yīng)BLDC電機(jī)控制而設(shè)計(jì)。 (傳感電機(jī)需要霍爾效應(yīng)傳感器來指示線圈位置以輔助電子換向序列)。

FCM8201的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步是它可以選擇脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式。有兩種PWM模式可供選擇：正弦波模式和方波模式。方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技術(shù)，可提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率。

Fairchild解釋說，該器件還內(nèi)置霍爾信號(hào)調(diào)節(jié)電路，可為每個(gè)傳感器信號(hào)輸入產(chǎn)生3至6μs的“去抖”時(shí)間。該電路減少了霍爾傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換緩慢時(shí)可能出現(xiàn)的毛刺 - 以及隨后的錯(cuò)誤。

FCM8201可以在沒有外部微控制器(MCU)的獨(dú)立配置中使用，或者如果設(shè)計(jì)人員想要添加比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備支持更多的電機(jī)控制功能，則可以通過串行外設(shè)接口連接外部MCU( SPI)接口。圖2顯示了FCM8201的典型獨(dú)立應(yīng)用電路。只需幾個(gè)外圍元件即可完成BLDC電機(jī)控制電路。

圖2：飛兆半導(dǎo)體FCM8201 BLDC電機(jī)控制器的典型獨(dú)立應(yīng)用電路。

使用電機(jī)磁通進(jìn)行無傳感器控制

無傳感器BLDC電機(jī)取消霍爾傳感器，而是依靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的大小來估算線圈位置并確定正確的換向順序。

無傳感器控制是一種流行的技術(shù)，因?yàn)樗?jiǎn)化了電機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)，但一個(gè)缺點(diǎn)是電機(jī)靜止時(shí)不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，而電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)則很少。這使得控制器難以確定線圈的位置。

針對(duì)低成本BLDC安裝，德州儀器(TI)推出了InstaSPIN-BLDC電機(jī)控制技術(shù)來解決這一問題。該公司表示，InstaSPIN-BLDC是一種無傳感器控制技術(shù)，在50多種不同電機(jī)類型的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，能夠在不到20秒的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)和運(yùn)行每臺(tái)電機(jī)。簡(jiǎn)而言之，TI將InstaSPIN-BLDC描述為在三相BLDC電機(jī)上執(zhí)行無傳感器換向的軟件方法。據(jù)該公司稱，它的優(yōu)勢(shì)包括電機(jī)調(diào)試非?？焖?，即使在低速時(shí)也能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的控制，以及超越速度擾動(dòng)的卓越能力。

與基于反電動(dòng)勢(shì)過零時(shí)序的其他無傳感器BLDC控制技術(shù)不同，InstaSPIN-BLDC監(jiān)控電機(jī)的磁通量，以確定何時(shí)換向電機(jī)。在自由圖形用戶界面(GUI)的幫助下(圖3)，用戶在繪圖窗口中確定通量信號(hào)，并設(shè)置“通量閾值”滑塊以指定電機(jī)應(yīng)換向的通量水平。 TI表示，可以通過觀察GUI上顯示的相電壓和電流波形來驗(yàn)證最佳換向。

圖3：TI的InstaSPIN-BLDC使用一個(gè)免費(fèi)的GUI來啟用設(shè)計(jì)工程師為快速電機(jī)啟動(dòng)設(shè)置磁通閾值。

與磁通信號(hào)不同，低傳感器BLDC電機(jī)在較低速度下產(chǎn)生的低反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)導(dǎo)致較差的信噪比(SNR)性能。該公司聲稱InstaSPIN-BLDC可在低速下實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的操作，即使在重負(fù)載下也能提供更可靠的電機(jī)啟動(dòng)。

TI為其InstaSPIN-BLDC提供培訓(xùn)模塊。該公司還提供使用DRV8312/32 BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的三相BLDC電機(jī)套件(DRV8312-C2-KIT)和帶有F28035 controlCARD子系統(tǒng)的Piccolo MCU，以運(yùn)行無傳感器InstaSPIN-BLDC技術(shù)。該公司發(fā)布了一份應(yīng)用報(bào)告，詳細(xì)說明了如何設(shè)置系統(tǒng)。¹

設(shè)計(jì)的靈活性

一些制造商提供沒有集成處理器的驅(qū)動(dòng)芯片，以便熟悉特定MCU的設(shè)計(jì)人員使用該設(shè)備進(jìn)行監(jiān)督電路?；蛘?，與上述Fairchild芯片的情況一樣，一些供應(yīng)商允許設(shè)計(jì)人員通過添加更強(qiáng)大的外部MCU來覆蓋內(nèi)部處理器。

傳感器和無傳感器BLDC電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于它們?cè)絹碓蕉嗟貞?yīng)用于以前由傳統(tǒng)電機(jī)主導(dǎo)的應(yīng)用。雖然比后者更昂貴，但這種前期費(fèi)用可以抵消較低的維護(hù)成本和BLDC電機(jī)的較長壽命。

希望利用這些輕巧，緊湊，功能強(qiáng)大的電機(jī)的設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，通過引入主要芯片供應(yīng)商的芯片和設(shè)計(jì)工具，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加容易。還有一些選項(xiàng)可以讓設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)中獲得更大的靈活性，從而增加將最終產(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開來的機(jī)會(huì)。