簡(jiǎn)化三相無刷直流電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的策略

高度集成的半導(dǎo)體產(chǎn)品不僅是消費(fèi)類產(chǎn)品的潮流，同時(shí)也逐步滲透至電機(jī)控制應(yīng)用。與此同時(shí)，無刷直流(BLDC)電機(jī)在汽車和醫(yī)療應(yīng)用等眾多市場(chǎng)中也呈現(xiàn)出相同態(tài)勢(shì)，其所占市場(chǎng)份額正逐漸超過其他各類電機(jī)。隨著對(duì)BLDC電機(jī)需求的不斷增長(zhǎng)以及相關(guān)電機(jī)技術(shù)的日漸成熟，BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)策略已逐漸從分立式電路發(fā)展成三個(gè)不同的類別。這三類主要方案劃分為片上系統(tǒng)(SoC)、應(yīng)用特定的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)和雙芯片解決方案。

這三類主要方案均能減少應(yīng)用所需的元件數(shù)并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，因此正逐漸受到電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的青睞。不過，每種策略都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本文將論述這三種方案及其如何在設(shè)計(jì)的集成度和靈活性之間做出權(quán)衡。

圖1：典型的分立式BLDC電機(jī)系統(tǒng)框圖

基本電機(jī)系統(tǒng)包含三個(gè)主要模塊：電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制單元。圖1給出了傳統(tǒng)的分立式電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電機(jī)系統(tǒng)通常包含一個(gè)簡(jiǎn)單的帶集成閃存的RISC處理器，此處理器通過控制柵極驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)外部MOSFET。該處理器也可以通過集成的MOSFET和穩(wěn)壓器(為處理器和驅(qū)動(dòng)器供電)來直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

SoC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成了上述所有模塊，并且具有可編程性，能夠適用于各類應(yīng)用。此外，它還是因空間受限而需要優(yōu)化的應(yīng)用的理想選擇。但是，其處理性能較低且內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限，因此無法應(yīng)用于需要高級(jí)控制的電機(jī)系統(tǒng)。SoC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的另一個(gè)缺點(diǎn)是開發(fā)工具有限，例如缺乏固件開發(fā)環(huán)境。大多數(shù)業(yè)界領(lǐng)先的單片機(jī)供應(yīng)商均提供種類繁多的易用工具，這一點(diǎn)與之形成鮮明對(duì)比。

ASSP電機(jī)驅(qū)動(dòng)器面向某一特定領(lǐng)域設(shè)計(jì)，一切都針對(duì)某個(gè)狹義應(yīng)用而優(yōu)化。其占用空間極小且無需軟件調(diào)節(jié)。此外，它還是空間受限應(yīng)用的理想選擇。圖2給出了10引腳DFN風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的框圖。由于ASSP電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常專注于大批量生產(chǎn)應(yīng)用，因此往往擁有出色的性價(jià)比。不過，這并不意味著依靠ASSP 驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的電機(jī)需要犧牲性能。例如，大多數(shù)現(xiàn)代ASSP電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)采用無傳感器和正弦算法的BLDC電機(jī)，而過去則需要使用高性能單片機(jī)才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。但是，ASSP產(chǎn)品缺乏可編程性且不能調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，這會(huì)限制其適應(yīng)日益變化的市場(chǎng)需求的能力。

圖2：獨(dú)立式風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)器框圖

盡管高集成度是當(dāng)今電子產(chǎn)品的一大趨勢(shì)，但仍有大量應(yīng)用對(duì)具有豐富模擬驅(qū)動(dòng)器和智能模擬單片機(jī)的雙芯片解決方案的需求不斷增長(zhǎng)。雙芯片策略允許設(shè)計(jì)人員從各種單片機(jī)中進(jìn)行選型，支持采用梯形或正弦驅(qū)動(dòng)技術(shù)的有傳感器換向或無傳感器換向。采用此方案時(shí)，配套驅(qū)動(dòng)器芯片的選擇至關(guān)重要。理想的配套芯片至少應(yīng)包含以下特性：

高效的可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器，用于降低功耗并為各類單片機(jī)供電

監(jiān)視和后臺(tái)處理模塊，確保電機(jī)安全運(yùn)行并允許主機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間進(jìn)行雙向通信

可優(yōu)化性能的可選參數(shù)，無需投入額外的編程工作量

適用于MOSFET或BLDC電機(jī)的額定功率驅(qū)動(dòng)器圖3給出了雙芯片解決方案示例，其搭配使用功能豐富的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與高性能數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)來驅(qū)動(dòng)六個(gè)N溝道MOSFET，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)(即PMSM，一種無刷電機(jī))的磁場(chǎng)定向控制。如果簡(jiǎn)單的六步控制架構(gòu)已經(jīng)足夠，則可以使用成本低廉的低檔8位單片機(jī)來替代DSC。當(dāng)選擇具有近似額定功率的BLDC電機(jī)時(shí)，即便不改變驅(qū)動(dòng)電路也能實(shí)現(xiàn)上述控制。

圖3：具有外部MOSFET的雙芯片BLDC解決方案

總的來說，采用SoC和ASSP電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不僅使用的元件數(shù)最少，而且靈活性也可達(dá)中等程度。但是，這類高度集成的解決方案各自有不同的局限性，例如固定的功能、有限的存儲(chǔ)容量和處理能力。表1比較了上述三種主要的BLDC電機(jī)控制策略。

表1：BLDC電機(jī)控制策略比較

與分立式設(shè)計(jì)相比，現(xiàn)代電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)解決方案不僅降低了物料成本，而且縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，同時(shí)對(duì)構(gòu)建針對(duì)所選BLDC電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的系統(tǒng)沒有影響。半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的硬件以及固件參考設(shè)計(jì)和庫可極大地縮短開發(fā)時(shí)間，從而加快將高級(jí)電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)概念投入市場(chǎng)的步伐。