提升馬達(dá)控制驅(qū)動器整合度、最大化靈活性

本文敘述三相永磁無刷直流（BLDC）馬達(dá)的工作原理，并介紹兩種換向方法在復(fù)雜性、力矩波動和效率方面的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)；同時提出一種創(chuàng)新的BLDC換向方法，以及馬達(dá)控制器IC在三種換向方法的作用。
與傳統(tǒng)的有刷直流馬達(dá)的機(jī)械自換向不同，三相永磁無刷直流（Brushless DC ；BLDC）馬達(dá)控制需要一個電子換向電路。本文簡要回顧BLDC馬達(dá)的工作原理，并介紹兩種最廣泛使用的換向方法在復(fù)雜性、力矩波動和效率方面的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)；然后提出一種創(chuàng)新的BLDC換向方法，并探討安森美（onsemi）的新款馬達(dá)控制器集成電路（IC）的特性和優(yōu)點(diǎn)，該IC可適用于三種換向方法。

BLDC結(jié)構(gòu)
BLDC馬達(dá)是一種旋轉(zhuǎn)式的馬達(dá)，由定子上的三相電樞繞組和轉(zhuǎn)子上的永磁體組成。BLDC馬達(dá)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的永磁有刷直流馬達(dá)相反，其轉(zhuǎn)子上裝有永磁體，定子上裝有馬達(dá)繞組。
然而，正如其名，BLDC馬達(dá)沒有電刷，無需定期維護(hù)或更換，因而不易受到磨損。BLDC轉(zhuǎn)子上的永磁體提供一個恒定的磁場，使其成為高效率、高力矩、低轉(zhuǎn)動慣量的馬達(dá)。BLDC的可靠性和變速驅(qū)動能力使其在眾多應(yīng)用中很受歡迎，包括白家電、暖通空調(diào)（HVAC）、汽車和工業(yè)機(jī)械，以及機(jī)器人。
三相BLDC馬達(dá)的換向電路通常用分立組件或MCU和整合的功率模塊實現(xiàn)。使用分立組件的設(shè)計需要大量的設(shè)計專業(yè)知識和經(jīng)驗來構(gòu)建和排除故障，需要一定的時間來實施。采用分立功率級的專用馬達(dá)控制IC已成為一種更受歡迎的方法，因為幾乎不需要額外的電路，而且許多制造商為其產(chǎn)品提供專用的配套軟件，這大大簡化了設(shè)置和調(diào)試。一個完全分立的解決方案通常可以將解決方案的組件成本降到最低。
而一個更加整合的解決方案可以通過減少PCB面積和制造步驟來降低整體系統(tǒng)成本—最少化物料列表（BOM）組件，降低庫存成本，并促進(jìn)在新設(shè)計中快速重用迭代—并提高整體解決方案的可靠性。目前安森美已提供一款帶有分立功率級的專用控制IC。

BLDC控制
與典型的有刷直流馬達(dá)不同，BLDC馬達(dá)控制系統(tǒng)被稱為逆變器。它包括一個驅(qū)動馬達(dá)的功率級、用于感測無傳感器工作的反電勢訊號檢測放大器、用于有傳感器工作的編碼器或霍爾傳感器，以及一個基于MCU的控制器。
控制器將速度和位置的回饋信息轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)腜WM訊號，以實現(xiàn)對馬達(dá)的動態(tài)控制。逆變器系統(tǒng)有許多優(yōu)勢，可以抵消其在成本和復(fù)雜性方面的缺點(diǎn)：更高可靠性和能效，更少噪聲，更寬的工作范圍以及對速度和力矩的出色控制。要設(shè)計BLDC無刷直流逆變系統(tǒng)，還需要具備電子設(shè)計、布板和韌體編程方面的專業(yè)知識，并有完成這些工作的工具和資源。
梯形控制和磁場導(dǎo)向控制（FOC，又稱為向量控制），是在BLDC系統(tǒng)中廣泛使用的兩種換向算法。梯形換向是最簡單的，但卻是效率最低、噪聲最大的方法。FOC實現(xiàn)起來更復(fù)雜，但通常更安靜、更高效。這兩種方法都可以采用有傳感器或無傳感器的工作方式。


 
圖1 : BLDC體現(xiàn)霍爾傳感器位置（source：Onsemi）

梯形換向
梯形換向在每個馬達(dá)相上使用兩個功率開關(guān)組件，它們遵循預(yù)先確定的「開-關(guān)」順序。這種方法很受歡迎，因為控制算法很簡單，而且能夠基于最基礎(chǔ)的MCU實現(xiàn)。梯形控制在控制馬達(dá)速度方面非常有效，但卻是效率最低的方法。盡管如此，它在換向過程中仍受高力矩波動影響，特別是在低速時，梯形換向在需要簡單死循環(huán)工作的低端應(yīng)用中很受歡迎。

由于非線性因素，產(chǎn)生了巨大的力矩波動，而且在任何特定時間，三個馬達(dá)繞組中只有兩個有電流流過。結(jié)果，非線性因素產(chǎn)生了噪聲和振動，而且由于電流控制器必須足夠慢，不能對電流從相位到相位的傳輸瞬態(tài)做出回應(yīng)，因此限制了整體性能。180°換向方法可以通過梯形換向產(chǎn)生高力矩，但120°換向可最小化力矩波動。開關(guān)順序的確定是為了在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時進(jìn)行兩個連續(xù)的馬達(dá)相位（間隔為60°）。


 
圖2 : 6步梯形控制波形（source：Onsemi）

磁場導(dǎo)向控制
FOC是一種更復(fù)雜的換向方法，具有更高的處理要求，更適合于高端應(yīng)用。與梯形換向相比，F(xiàn)OC的優(yōu)點(diǎn)包括精確定位、更高的速度、更低的力矩波動和更低的噪聲，以及更高的電源效率。使用FOC換向方法，馬達(dá)可以基于馬達(dá)電流回饋去計算電壓和電流向量，從而實現(xiàn)無傳感器換向，但如果應(yīng)用需要，也可以利用霍爾效應(yīng)傳感器。
FOC可以在寬廣的工作電壓范圍內(nèi)保持高效率，能夠?qū)λ俣群土剡M(jìn)行精確的動態(tài)控制。在FOC中，三個定子電流代表一個由正交力矩和磁通分量組成的向量。克拉克和帕克的數(shù)學(xué)變換將不同時間的交流電流和電壓波形轉(zhuǎn)換為直流值，大大簡化了下游的處理要求。FOC的主要缺點(diǎn)是需要增加處理能力，這可能需要一個更強(qiáng)大的MCU。

直接力矩和磁通量控制
雖然DTC和DTFC已經(jīng)存在了一段時間，但Theta Power Solutions, Intl （TPSI）開發(fā)了一種新的無傳感器BLDC換向法，直接控制力矩和磁通量。雖然DTFC不是一個新概念，TPSI開發(fā)出了一種獨(dú)特的、更有效的方法，為BLDC馬達(dá)提供磁通弱化，以提高高速能力。
TPSI的無傳感器解決方案是制動算法的理想選擇，能夠提供高慣性負(fù)載的可控減速。它采用了高速數(shù)據(jù)總線，可以傳輸實時馬達(dá)回饋信息，以提供每安培最大力矩（MTPA）的控制電流。它在所有負(fù)載條件下（甚至在飽和狀態(tài)下）都能確保馬達(dá)的高效率，并具有熱補(bǔ)償功能，讓馬達(dá)可以不間斷運(yùn)行或在極端溫度下運(yùn)行。
對于需要在非常低的速度下獲得精確力矩的應(yīng)用，TPSI的無傳感器解決方案可以很好地解決這一問題，由于不需要傳感器，讓用戶可以降低系統(tǒng)成本。

TPSI的方案與傳統(tǒng)的DTC（和FOC）相比，其優(yōu)勢包括但不限于：

- 能夠以極低的電流需求進(jìn)行死循環(huán)啟動;
- 在更大的速度范圍內(nèi)具有卓越的穩(wěn)定性;
- 無傳感器工作;
- 高速遙測技術(shù)允許將馬達(dá)作為傳感器使用;
- 每安培的最大力矩;
- 噪音最小化;
- 易于擴(kuò)展性能;
- 出色的低速性能（~5Hz），無需傳感器;
- 在整個速度范圍內(nèi)具有出色的力矩調(diào)節(jié)能力;
- 用戶接口簡化了流程，讓馬達(dá)快速運(yùn)行。

TPSI的DTFC需要額外的處理能力來實現(xiàn)。ECS640A是基于Arm Cortex-M0+級MCU實現(xiàn)這一先進(jìn)控制技術(shù)的產(chǎn)品。

控制選擇三合一
安森美ecoSpin系列可配置馬達(dá)控制器可選用上述三種控制方法中的任何一種。ECS640A是該系列的第一個組件，是一個系統(tǒng)級封裝（SiP）方案。它整合了Arm Cortex-M0+微控制器、檢測放大器、參考放大器、自舉二極管，以及為高電壓、高速運(yùn)行而設(shè)計的高壓柵極驅(qū)動器，統(tǒng)合在10mmx13mm的QFN封裝中。它可以驅(qū)動工作電壓高達(dá)600V的MOSFET和IGBT（FAN73896），并有六個柵極驅(qū)動器輸出，可向外部功率器件提供350mA/650mA（典型值）的柵極電流。該器件包括GPIO霍爾傳感器輸入，以支持所需的感測操作，并有三個獨(dú)立的低端源引腳，允許進(jìn)行單一或多個分流測量。
小尺寸和高整合度使得該組件適合與分立功率組件一起使用，以最大限度地提高擴(kuò)展性。它配有一個由閃存加載器、器件啟動和系統(tǒng)文件、外設(shè)驅(qū)動器（CMSIS-Driver樣式）組成的軟件開發(fā)工具包（SDK），以及用于外設(shè)演示的示例代碼。安森美還與Theta Power Solutions, Inc.合作，為ECS640A提供DTFC固件，這使得在Arm Cortex-M0+處理器上實現(xiàn)優(yōu)化的馬達(dá)性能。
易于使用的圖形用戶接口簡化了代碼開發(fā)，加快產(chǎn)品上市。這種整合的解決方案為所使用的特定馬達(dá)自動生成系數(shù)參數(shù)，使系統(tǒng)易于設(shè)置并且能夠快速運(yùn)行，不會因旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的細(xì)節(jié)疏漏而出錯。

靈活性和整合性
BLDC馬達(dá)在各種應(yīng)用中越來越受歡迎，但需要適當(dāng)?shù)膿Q向來充分發(fā)揮其優(yōu)勢。在選擇BLDC馬達(dá)控制器IC時，選擇能提供最多換向選擇和高整合度的IC是有意義的。ECS640A馬達(dá)控制器提供靈活性和易用性，支持有傳感器和無傳感器應(yīng)用。
（本文作者Joe Howell為安森美資深系統(tǒng)工程師）