使用無刷直流電機(jī)加速設(shè)計(jì)周期的3種方法

全球都在致力降低功耗，且勢頭愈來愈烈。許多國家/地區(qū)都要求家用電器（如圖 1 所示）滿足相關(guān)組織（如中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院 (CNIS)、美國能源之星和德國藍(lán)天使）制定的效率標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，越來越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中放棄了簡單且易用的單相交流感應(yīng)電機(jī)，轉(zhuǎn)而采用更節(jié)能的低壓無刷直流 (BLDC) 電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)更長的使用壽命和更低的運(yùn)行噪音，掃地機(jī)器人等小型家電的設(shè)計(jì)人員也轉(zhuǎn)而在他們的許多系統(tǒng)中使用更先進(jìn)的 BLDC 電機(jī)。同時(shí)，永磁技術(shù)的進(jìn)步正不斷簡化 BLDC 電機(jī)的制造，在提供相同扭矩（負(fù)載）的同時(shí)減小系統(tǒng)尺寸，還可以提高效率和降低系統(tǒng)噪音。

圖1 常見家用電器

設(shè)計(jì)使用 BLDC 電機(jī)的系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橥ǔＰ枰獜?fù)雜的硬件和優(yōu)化的軟件設(shè)計(jì)來提供可靠的實(shí)時(shí)控制。加快設(shè)計(jì)周期的一種選擇是采用專業(yè)供應(yīng)商提供的 BLDC 電機(jī)模塊，但這些模塊并未針對特定系統(tǒng)的需求進(jìn)行優(yōu)化。因此，為了構(gòu)建優(yōu)化的高性能系統(tǒng)來滿足特定應(yīng)用需求，仍然需要深入了解電機(jī)設(shè)計(jì)和控制，即便使用模塊也是如此。在本文中，我將介紹三種方法，這些方法在加快 BLDC 電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，還可以提供更為智能小巧的節(jié)能解決方案。

方法一：無需編程無傳感器控制

無需編程的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括內(nèi)置的控制換向算法，因此無需進(jìn)行電機(jī)控制軟件的開發(fā)、維護(hù)和認(rèn)證。這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常從電機(jī)獲取反饋（例如霍爾信號或電機(jī)相位電壓和電流信號），實(shí)時(shí)計(jì)算復(fù)雜的控制方程以確定下一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，并為柵極驅(qū)動(dòng)器或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 等模擬前端組件提供脈寬調(diào)制信號（如圖 2所示）。

圖2 典型的無傳感器 BLDC 電機(jī)系統(tǒng)

使用集成了無傳感器控制功能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（例如具有磁場定向控制 (FOC) 功能的 MCF8316A 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，電機(jī)中無需霍爾效應(yīng)傳感器，因此可以提高系統(tǒng)可靠性并降低系統(tǒng)總成本。無需編程的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還可以管理重要功能（如電機(jī)故障檢測），并實(shí)施保護(hù)機(jī)制，使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加可靠。這些器件可以附帶美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室等認(rèn)證機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的預(yù)認(rèn)證控制算法，使原始設(shè)備制造商能夠縮短其家用電器的設(shè)計(jì)時(shí)間。

方法二：使用智能電機(jī)控制功能輕松調(diào)諧電機(jī)

系統(tǒng)性能參數(shù)要求（如速度、效率和噪聲）很難通過調(diào)諧 BLDC 電機(jī)來解決。該問題可通過開發(fā)一種無傳感器梯形控制算法來解決，其中，換向由電機(jī)的反電動(dòng)勢電壓決定，使調(diào)整操作不受電機(jī)參數(shù)限制。集成了無傳感器梯形控制功能的集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（例如 MCT8316A）可以提供優(yōu)化的系統(tǒng)性能，而無需使用復(fù)雜的接口連接微控制器。此外，請注意，在電機(jī)調(diào)諧過程中，集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)提供反饋信號，例如示波器上顯示的電機(jī)相電壓、電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

在無傳感器 FOC 算法中，由于集成了先進(jìn)控制技術(shù)，因此可以顯著加快電機(jī)調(diào)諧，例如，通過自行測量電機(jī)參數(shù)或自動(dòng)執(zhí)行控制環(huán)路的調(diào)諧等方式加快速度。引導(dǎo)式調(diào)諧圖形用戶界面 (GUI) 提供默認(rèn)的電機(jī)啟動(dòng)選項(xiàng)（如圖 3 所示），有助于順利完成調(diào)諧過程并盡快使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。無需編程的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（例如用于 FOC 的 MCF8316A 和用于梯形控制的 MCT8316A）包括用于電機(jī)啟動(dòng)以及閉環(huán)和電機(jī)停止操作的多個(gè)可配置選項(xiàng)。借助這些選項(xiàng)，在幾分鐘內(nèi)就能優(yōu)化電機(jī)性能，顯著縮短了設(shè)計(jì)周期。

圖3 引導(dǎo)式調(diào)諧 GUI

第3種方法：減小尺寸

對許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，BLDC 系統(tǒng)硬件構(gòu)建工作都很吃力。一個(gè)典型的系統(tǒng)需要柵極驅(qū)動(dòng)器、MOSFET、電流感應(yīng)放大器、電壓感應(yīng)比較器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。大多數(shù)系統(tǒng)需要專用的電源架構(gòu)（包括低壓降穩(wěn)壓器或直流/直流降壓穩(wěn)壓器等器件）為板上的所有組件供電。集成的 BLDC 驅(qū)動(dòng)器結(jié)合了所有這些組件，提供了一個(gè)緊湊但易于使用的解決方案，如圖 4 所示。

圖4 完全集成的 BLDC 電機(jī)解決方案

具有集成控制功能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包含保護(hù)功能，例如針對 MOSFET 的過流和過壓保護(hù)以及溫度監(jiān)測，使設(shè)計(jì)人員能夠輕松提供強(qiáng)大的解決方案。對于功耗小于 70W 的電機(jī)應(yīng)用，例如掃地機(jī)器人、家用吊扇或者是洗衣機(jī)中使用的泵，可以選擇具有集成 MOSFET 的器件來進(jìn)一步減小布板空間。MCF8316A 和 MCT8316A 器件在 24V 應(yīng)用中支持高達(dá) 8A 的峰值電流。對于大功率應(yīng)用，可以將功率 MOSFET 放置在板上，使柵極驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)控制功能集成到單塊芯片中。

本文中討論的概念有助于加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，同時(shí)提供更為小巧、智能的 BLDC 電機(jī)系統(tǒng)。借助于 MCF8316A 和 MCT8316A 等無需編程無傳感器的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以快速設(shè)計(jì)出優(yōu)化的高性能實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。這些器件可以為 24V 應(yīng)用提供高達(dá) 70W 的功率。憑借集成的智能控制技術(shù)，這兩款電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都很容易調(diào)諧，可用于實(shí)現(xiàn)高性能和可靠的系統(tǒng)解決方案，是構(gòu)建下一個(gè)基于 BLDC 的低電壓節(jié)能型系統(tǒng)時(shí)的理想選擇。