玩轉電機——驅動算法是成敗關鍵

　　電機驅動的最大難點在于成本和算法，其算法和精度及可靠性又密切相關。此外，電機能耗占世界能耗的一半左右，電機效率的提高，符合節(jié)能減排的要求。德州儀器（TI）公司半導體事業(yè)部市場推廣經(jīng)理李志林（圖1）強調，電機控制的核心在于它的控制算法：除了硬件之外，最重要的要求是如何用更優(yōu)異的算法去控制電機。

　　在我們的家庭里面，所有的家電除了電視機以外，幾乎都包含了電機：從抽油煙機、微波爐、灶具，燃氣熱水器、洗衣機、冰箱、空調，再到硬盤、DVD機，全都和電機有關（圖2）。另外，在汽車當中，所使用的電機數(shù)量達上百個之多。其中的很多產(chǎn)品（例如硬盤），對電機控制的精度和可靠性要求非常之高。

　　算法和可靠性

　　李志林指出，國內(nèi)的家用電器廠商在電機的控制算法上處于弱勢；而至于硬件方面，根據(jù)不同要求集成不同的功能和硬件，可以提高產(chǎn)品的可靠性。另外，現(xiàn)在的一些電機驅動器件集成了MCU，這也是電機驅動的一個發(fā)展方向。根據(jù)不同的應用需要，電機有很多的控制算法，包括：120度、150度或180度梯形波、FOC算法、無位置檢測、PID調節(jié)算法等。對于電機驅動的可靠性，需要設計各種保護，比如：熱保護、欠壓保護和防止導通的保護等。然而，在以往的電機驅動器中，幾乎難以找到過流保護（OCP）——這些器件對于這一保護而言，只能夠靠熱保護去響應。

　　他介紹，TI有一個專門針對電機做控制算法的實驗室Kilby Lab。該實驗室致力于將算法做得更完善，把可靠性提上去。在可靠性方面，若采用熱保護的話，在溫度達到某一溫度（比如150度）時再直接關斷，響應可能無法滿足實際需要：比如人為的短路，在發(fā)熱溫度檢測還來不及保護的時候就會燒毀。過流保護響應時間太長的話，器件也容易被燒毀。另外，電機在起動的瞬間，沖擊電流特別大。若在此時執(zhí)行電流檢測的話，器件會實施過流保護。因此，設置一個關斷時間，把這個時間忽略掉，超過這個時間點以后，再做電流檢測，就可以繞開起動時的過流保護。

　　TI DRV8電機驅動系列的一個主要特點，就在于它的可靠性。另外，在DRV8系列中集成了MCU，這樣，大家在使用的時候，就不需要在外部再附加單片機；或者，只需要用主處理器和驅動器通信，“告訴”它走幾步或者發(fā)一個命令即可。這樣便提高了電機驅動的易用性，而無需知道其后臺是如何操作的。對于TI而言，電機驅動的發(fā)展方向也就是如此——盡可能做到器件方便操作和易于使用。

　　細分和混合衰減模式

　　步進電機需要進行細分控制。對于步進電機驅動器而言，可以將細分（1/8細分直到1/256細分）的索引表集成進去。另外，可以通過設置控制字（例如1/8細分驅動），在無細分、1/2細分、1/4細分和1/8細分之間進行選擇。

　　步進電機每加一個脈沖，便會走一步。當沒有脈沖或者是脈沖關斷的時候，電流就會降下來，電機就會停步。但是由于電感很大，電流不能突變，這時便可以采用算法來控制電流的衰減速度。李志林談道，衰減模式可以分為慢衰減模式和快衰減模式。將慢衰減和快衰減模式結合起來（混合衰減模式），便可以根據(jù)實際要求，對停步造成的系統(tǒng)噪聲和電機運轉的平滑度進行調整。

　　步進電機在驅動的時候，電流波形最好是正弦波，因為這時的諧波分量較低、EMI較小且控制精度也較高。但在細分的時候，會遇到一個問題：過零點的失真會導致誤沖。這時，在驅動器中，可以采用動態(tài)的TBLANK（間隔時間），來減小波形過零點的失真；另外，可以采用可調的混合衰減模式（比如先快后慢），來減小di/dt過零時的電感放電失真。

　　漏源導通電阻RDS（ON）

　　某些電機驅動器當中集成了MOSFET，這樣，其漏源導通電阻（RDS（ON））便決定了驅動器的發(fā)熱情況。對于一個5A的電機，所有的電流都將流過它的線圈。若芯片當中集成了兩個H橋，在驅動的時候，就相當于有兩個半橋在導通（兩個半橋相當于4個MOSFET）。這樣，芯片的功耗就等于電流的平方乘以4RDS（ON）。因此，RDS（ON）越低，芯片的發(fā)熱量便越小。例如，TI的DVR8818就是一款RDS（ON）極低的驅動器件（上管與下管RDS（ON）之和為0.37Ω）。

　　步進電機驅動器接口模式

　　步進電機驅動器大致有三種接口模式：PWM模式、Phase/Enable模式和Step/Direction模式。PWM模式即采用MCU程序進行控制；Phase/Enable模式即輸出由相位（方向）和每個H橋的使能信號控制；Step/Direction模式則是根據(jù)脈沖和方向進行控制。

　　李志林解釋道，某些傳統(tǒng)的驅動器的電流規(guī)格類似，但在實際應用時，接口模式卻不一樣。接口模式不一樣的話，在應用過程中就需要修改軟件，因為這兩種模式要求CPU發(fā)出的PWM脈沖的占空比和個數(shù)都不一樣。這樣，若將兩種接口模式做成兼容，便可以采用一個管腳，選擇是采用Step/Direction模式還是采用Phase Enable模式，而不用再為其更改軟件（例如，DRV8834就是一種Step/Direction模式和Phase Enable模式可選的產(chǎn)品）。

　　無傳感器BLDC

　　有刷電機與直流無刷電機（BLDC）的區(qū)別在于是否具有碳刷。有刷電機通過在轉向器上刻上槽，用不同的炭刷去接觸而實現(xiàn)換向。而BLDC則沒有炭刷，因為炭刷的存在會影響其機械壽命。另外，有刷電機存在噪音——由于炭刷和不同的繞組之間存在絕緣點，有刷電機在切換的時候會打火。因此，將有刷電機替換為BLDC將會是一個趨勢，同時，其效率也非常高。

　　李志林介紹，有些BLDC風扇采用霍爾器件來替換傳統(tǒng)的換向器。由于霍爾器件需要電源供電，引線的數(shù)量將會較多。同時，霍爾器件本身存在使用壽命。因此，在高溫和高可靠性的場合不宜采用霍爾器件。另外，霍爾器件體積的限制也決定了不可能把它放在其中。這種情況下，若采用無傳感器BLDC（即無換向檢測的BLDC），應如何實現(xiàn)換向，就要看硬件的高招了。有很多的算法專門做這種BLDC的驅動，比如采用反電動勢檢測的方法來實現(xiàn)。

　　BLDC風扇的要求在于：第一，起動沒有問題。雖然沒有相位檢測，但在任何情況下都能起動。第二，不能出現(xiàn)反轉的可能。這對可靠性的要求非常地高。TI的DRV10863便是一個雙向的BLDC驅動器。通過集成1安培的高/低端MOSFET，這款產(chǎn)品使用起來非常方便。另外，它集成的過流保護，可以方便調節(jié)過流保護點。DRV10863采用無傳感器BACK EMF控制方式去檢測相位，其電流波形接近于正弦波，并采用150度梯形波進行調整。