一個(gè)復(fù)雜的控制器IC如何應(yīng)對(duì)電機(jī)控制挑戰(zhàn)

　　由于在很大程度上受物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和汽車電氣化的推動(dòng)，機(jī)械系統(tǒng)加速向電子控制轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)人員正在將低功耗電機(jī)應(yīng)用于從家用電器、門(mén)鎖和遙控百葉窗到汽車油泵、座椅、窗戶和門(mén)等應(yīng)用中的基本任務(wù)。這些直流電機(jī)的額定功率從小到幾分之一馬力到大到多個(gè)馬力不等，雖幾乎無(wú)處不在，但往往卻不為人知。

　　雖然因?yàn)殡姍C(jī)在不斷改進(jìn)且電機(jī)控制技術(shù)變得更好、更容易使用，而促進(jìn)其快速擴(kuò)展，但設(shè)計(jì)者仍然面臨著提高效率和降低成本的持續(xù)壓力，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)更大的精度和更高的可靠性。

　　無(wú)刷直流 （BLDC） 電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)（另一種無(wú)刷直流電機(jī)）的變型可以幫助設(shè)計(jì)者滿足這些日益苛刻的性能和成本目標(biāo)，但必須仔細(xì)考慮電機(jī)控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路?？刂破鞅仨毾螂姍C(jī)的電子驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)（通常是 MOSFET）提供合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并以精心控制的時(shí)序和持續(xù)時(shí)間來(lái)完成。它還必須控制電機(jī)上升/下降的軌跡，并能檢測(cè)和適應(yīng)電機(jī)或負(fù)載不可避免的軟問(wèn)題和硬故障。

　　本文探討了無(wú)刷直流電機(jī)的控制 IC 所提供的功能，為讀者提供了一個(gè)關(guān)于無(wú)刷直流電機(jī)電氣屬性的整體視角，并解釋了一個(gè)復(fù)雜的控制器如何使用 Renesas RAJ306010 系列電機(jī)控制 IC 讓無(wú)刷直流電機(jī)滿足應(yīng)用目標(biāo)。

　　電機(jī)控制路徑和電機(jī)

　　從運(yùn)動(dòng)控制軟件到電機(jī)的路徑包括一個(gè)運(yùn)行軟件的處理器、電機(jī)電源開(kāi)關(guān)設(shè)備的柵極驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)（圖 1）。也可能有一條從電機(jī)的傳感器通過(guò)模擬前端回到處理器的路徑，便于提供關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置或速度的信息，以確認(rèn)性能并關(guān)閉反饋回路。

圖 1：今天的電機(jī)控制始于處理器中作為固件嵌入的軟件，用以控制柵極驅(qū)動(dòng)，而柵極驅(qū)動(dòng)器又將電源切換到電機(jī)的繞組；另外還可能有一個(gè)從電機(jī)回到處理器的傳感器驅(qū)動(dòng)型反饋回路。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　設(shè)計(jì)師有兩種領(lǐng)先的直流驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)選擇：BLDC 電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。兩者的功能都是因其內(nèi)部永久磁鐵間的磁互動(dòng)和其電磁線圈的切換而實(shí)現(xiàn)的。選擇使用這兩種電機(jī)中的哪一個(gè)，由它們?cè)陬A(yù)期應(yīng)用領(lǐng)域的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)決定。

　　一般來(lái)說(shuō)，BLDC 電機(jī)可靠性高，效率高，并能在一定的速度范圍內(nèi)提供大扭矩。電機(jī)定子兩極依次通電，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子（及其永久磁鐵）轉(zhuǎn)動(dòng)。BLDC 電機(jī)通常在其外圍有三個(gè)電子控制的定子（圖 2）。

圖 2：BLDC 電機(jī)的定子依次通電，使永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　BLDC 電機(jī)的關(guān)鍵屬性包括響應(yīng)性、快速加速、可靠性、長(zhǎng)壽命、高速運(yùn)行和高功率密度。它們通常是醫(yī)療設(shè)備、冷卻風(fēng)扇、無(wú)繩電動(dòng)工具、轉(zhuǎn)盤(pán)和自動(dòng)化設(shè)備等應(yīng)用的選擇。

　　步進(jìn)電機(jī)的工作原理與無(wú)刷直流電機(jī)類似，只是它的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要小得多，它把一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)劃分成大量的等角步進(jìn)（通常是 128 或 256 步）。電機(jī)轉(zhuǎn)子不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是依次驅(qū)動(dòng)它走過(guò)或踏過(guò)那些小角度的臺(tái)階（圖 3）。這使得轉(zhuǎn)子能夠準(zhǔn)確定位，因?yàn)樗c通電的定子磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)同步。

圖 3：步進(jìn)運(yùn)動(dòng)有大量定子磁極，這些磁極圍繞其轉(zhuǎn)子及其永久磁鐵排列；通過(guò)按控制順序給這些磁極通電，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并完成小角度步進(jìn)。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　步進(jìn)電機(jī)是可靠的、精確的，并提供快速的加速和反應(yīng)能力。由于其步進(jìn)操作和電機(jī)結(jié)構(gòu)、開(kāi)環(huán)控制以及定位穩(wěn)定性，通常足以滿足精密應(yīng)用要求，如 CD 驅(qū)動(dòng)器、平板掃描儀、打印機(jī)和繪圖儀。高級(jí)應(yīng)用可以增加一個(gè)反饋傳感器和閉環(huán)控制，以獲得更高的精度和性能確認(rèn)。

　　BLDC 電機(jī)控制選項(xiàng)

　　對(duì)于交流感應(yīng)電機(jī)或有刷直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，速度和扭矩控制的主要手段是通過(guò)調(diào)整電源電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而無(wú)刷直流電機(jī)與之不同，則是通過(guò)對(duì)功率開(kāi)關(guān) MOSFET 的開(kāi)啟和關(guān)閉的精心定時(shí)來(lái)控制的。這使得電機(jī)能夠有效和準(zhǔn)確地處理各種任務(wù)。

　　這些任務(wù)要求的范圍包括：提供移動(dòng)大量空氣所需的高轉(zhuǎn)數(shù) （RPM），以提供無(wú)繩真空吸塵器的吸力，以及必須具有高啟動(dòng)扭矩的電動(dòng)工具，特別是當(dāng)電機(jī)相對(duì)其負(fù)載而停滯時(shí)。在許多應(yīng)用中，電機(jī)還必須能夠處理巨大的負(fù)載變化，這就要求快速響應(yīng)，以保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。

　　控制無(wú)刷直流電機(jī)的常見(jiàn)策略有：基本 120? 開(kāi)/關(guān)控制和矢量控制。在 120? 開(kāi)/關(guān)控制中，無(wú)刷直流電機(jī)三個(gè)線圈中的兩個(gè)通電，六個(gè)通電模式按旋轉(zhuǎn)順序切換，以支持任何方向的旋轉(zhuǎn)（圖 4）。

圖 4：無(wú)刷直流電機(jī)的定子磁極（左）可以按順時(shí)針或逆時(shí)針的順序通電（右），從而根據(jù)應(yīng)用的需要驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子以任何方向旋轉(zhuǎn)。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　在這種模式下，定子線圈以開(kāi)/關(guān)電流（方波）方式通電，當(dāng)電機(jī)升速、保持速度并在線圈斷電后降速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生梯形加速曲線。這種方法的好處是內(nèi)在的簡(jiǎn)單性和直接操作能力。

　　然而，它很容易隨著負(fù)載和其他變化而出現(xiàn)性能波動(dòng)，而且對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，精度和效率都不夠高。電機(jī)控制器中的復(fù)雜算法可以通過(guò)調(diào)整 MOSFET 的開(kāi)/關(guān)時(shí)間，以及使用比例積分導(dǎo)數(shù) （PID） 或比例積分 （PI） 控制，在一定程度上克服這些缺點(diǎn)。

　　有一個(gè)已經(jīng)變得越來(lái)越有吸引力的替代方案就是矢量控制，亦稱磁場(chǎng)定向控制 （FOC）。在這種方法中，所有三個(gè)線圈都通過(guò)連續(xù)控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)通電，與 120 度控制相比，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。FOC 現(xiàn)已發(fā)展到用于許多大眾市場(chǎng)產(chǎn)品，如洗衣機(jī)。

　　在 FOC 中，每個(gè)定子線圈的電流是通過(guò)先進(jìn)的算法測(cè)量和控制的，這需要復(fù)雜的數(shù)字處理。該算法還必須不斷地將三相交流值轉(zhuǎn)化為兩相直流值（這一過(guò)程稱為坐標(biāo)相位轉(zhuǎn)換），簡(jiǎn)化了后續(xù)控制所需的等式和計(jì)算（圖 5）。如果操作得當(dāng)，F(xiàn)OC 產(chǎn)生就是高度精確和有效的控制。

圖 5：FOC 算法的一部分需要坐標(biāo)相位轉(zhuǎn)換來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜的數(shù)字處理計(jì)算。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　用于反饋的傳感器選項(xiàng)

　　無(wú)刷直流電機(jī)可以在沒(méi)有反饋信號(hào)的開(kāi)環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行控制，也可以通過(guò)閉環(huán)算法，由電機(jī)上的傳感器進(jìn)行反饋。這個(gè)決定取決于應(yīng)用的精度、可靠性和安全考慮因素。

　　增加一個(gè)反饋傳感器會(huì)增加成本和算法的復(fù)雜性，但會(huì)增加對(duì)計(jì)算的信心，因此在許多應(yīng)用中是必不可少的。根據(jù)不同的應(yīng)用，主要關(guān)注的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是轉(zhuǎn)子的位置或速度。這兩個(gè)因素密切相關(guān)：速度是位置的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，而位置是速度的時(shí)間積分。

　　實(shí)際上，幾乎所有的反饋傳感器都指示位置，控制器可以直接使用它們的信號(hào)或開(kāi)發(fā)衍生信息來(lái)確定速度。在更簡(jiǎn)單的情況下，反饋傳感器的主要作用是作為基本電機(jī)性能的安全相關(guān)檢查或作為失速指標(biāo)，而不是用于閉環(huán)控制。

　　常用反饋傳感器有四種類型：霍爾效應(yīng)裝置、光學(xué)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和電感式傳感器（圖 6）。每一種都提供不同的性能屬性、分辨率和成本。

圖 6：如果用戶的系統(tǒng)需要一個(gè)電機(jī)反饋信號(hào)，他們就有廣泛的傳感器選擇，從霍爾效應(yīng)裝置到編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)傳感器。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　霍爾效應(yīng)裝置通常被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單和最容易安裝的，而且在許多情況下是足夠用的。光學(xué)編碼器有一系列的分辨率，從低到中等水平，但有安裝方面的挑戰(zhàn)，而且可能有一些長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題。旋轉(zhuǎn)變壓器和電感式傳感器尺寸更大、更重、更昂貴，并有一些接口方面的挑戰(zhàn)，但能提供非常高的分辨率和長(zhǎng)期性能。

　　電流的提供

　　無(wú)論是 BLDC 還是步進(jìn)電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)的磁極都是電磁“線圈”，因此必須由電流而非電壓驅(qū)動(dòng)。為了正確地給這些磁極通電，電機(jī)控制系統(tǒng)必須通過(guò)開(kāi)/關(guān)切換（大多數(shù)情況下是 MOSFET）來(lái)提供這種電流，并具有準(zhǔn)確的定時(shí)、脈沖寬度和受控的壓擺率，以正確和有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)安排還必須保護(hù) MOSFET 免受各種故障條件的影響，如電機(jī)停轉(zhuǎn)、電流需求過(guò)大、熱過(guò)載和短路。

　　對(duì)于相對(duì)較小的電機(jī)，通常需要低于 500 毫安 （mA） 至 1 安培 （A） 的電流，可以將 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器甚至 MOSFET 嵌入到電機(jī)控制 IC 封裝中，以保持盡可能小的封裝尺寸。雖然這很方便，并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)導(dǎo)入，但在許多情況下，這并不是一個(gè)實(shí)用的選擇，原因有多個(gè)：

　　高性能 MOSFET 的半導(dǎo)體工藝與用于控制器數(shù)字邏輯的半導(dǎo)體工藝非常不同，因此組合的最終設(shè)計(jì)是一種妥協(xié)（但可能是可以接受的）。

　　MOSFET 的功率耗散和熱管理在很大程度上是由應(yīng)用功率需求決定的。隨著電流和功率水平的增加，片上 MOSFET 的耗散和產(chǎn)生的熱量很快就會(huì)超過(guò)封裝的限制。在這些情況下，將數(shù)字和電源功能分開(kāi)才是更好的解決方案，讓設(shè)計(jì)者能夠優(yōu)化 MOSFET 的放置和熱管理。

　　最后，隨著電機(jī)所需電流水平的增加，電機(jī)電源導(dǎo)線中的 IR 驅(qū)動(dòng)電壓降的增加會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。因此，建議將開(kāi)關(guān)設(shè)備放在離負(fù)載更近的地方。

　　由于這些原因，許多電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制 IC 包括了所有需要的功能，除了功率 MOSFET。多 MOSFET 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常被稱為逆變器功能。使用分立 MOSFET 能夠讓設(shè)計(jì)者靈活地選擇具有合適規(guī)格組合的器件，如負(fù)載電流、“導(dǎo)通”電阻、封裝類型和開(kāi)關(guān)特性等因素。

　　復(fù)雜 IC 應(yīng)對(duì)電機(jī)控制挑戰(zhàn)

　　在過(guò)去，先進(jìn)的電機(jī)控制需要一個(gè) IC 組件。通常情況下，這可能涉及到一個(gè)低端的處理器來(lái)發(fā)出通用指令，并有一個(gè)專門(mén)的數(shù)字協(xié)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的算法，或者一個(gè)高端的處理器來(lái)同時(shí)做這兩件事，另外還有用于功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電路。這不僅需要更大的印刷電路板面積和更長(zhǎng)的物料清單 （BOM），而且經(jīng)常會(huì)有系統(tǒng)集成和相關(guān)的調(diào)試問(wèn)題。

　　然而，今天的電機(jī)控制 IC 可以在一個(gè)器件中完成這所有一切，如 Renesas RAJ306010（圖 7）所示。在 RAJ306010 內(nèi)有許多功能塊，專門(mén)針對(duì)電機(jī)控制設(shè)計(jì)的獨(dú)特需求。

圖 7：Renesas RAJ306010 IC 具有高度先進(jìn)的電機(jī)控制所需的功能（功率 MOSFET 除外），因此比多 IC 解決方案占用的空間更少，同時(shí)簡(jiǎn)化了 BOM 和設(shè)計(jì)集成。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　這款通用的電機(jī)控制 IC 旨在用于三相無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用。它在一個(gè)微小的 8×8 毫米 （mm）、64 引腳的 QFN 封裝中結(jié)合并緊密集成了兩個(gè)不同的角色：數(shù)字控制器功能和大部分模擬預(yù)驅(qū)動(dòng)器功能。它在 6 至 24 伏的電壓下運(yùn)行，目標(biāo)針對(duì)獨(dú)立、基本自主的應(yīng)用，如電動(dòng)工具、園藝工具、吸塵器、打印機(jī)、風(fēng)扇、泵和機(jī)器人。（注意，另一個(gè)幾乎相同的器件 RAJ306001 是一個(gè) 6 至 30 伏的版本，與 RAJ306010 共用相同的規(guī)格書(shū)。）

　　在數(shù)字方面，RAJ306010 集成了一個(gè) 16 位微控制器（Renesas 的 RL78/G1F 級(jí)），有 64KB 的閃存、4KB 的數(shù)據(jù)閃存和 5.5KB 的 RAM 支持。此外，還有大量的數(shù)字 I/O：通用 I/O （GPIO）、SPI、I2C 和一個(gè) UART。另還有一個(gè)九通道、10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），以將模擬信號(hào)引入該器件。

　　為了使用 RAJ306010，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者將所需的操作參數(shù)加載到相應(yīng)的閃存控制寄存器中，以建立所需的操作模式和條件。從一個(gè)典型應(yīng)用高級(jí)系統(tǒng)框圖（圖 8）中可以看出，該集成電路在上電時(shí)就可以發(fā)揮作用，而不需要任何額外的微控制器。

圖 8：這個(gè)使用 RAJ306001 的基本應(yīng)用高級(jí)系統(tǒng)框圖顯示了高集成水平是如何將對(duì)額外分立元件的需求降到最低的。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　RAJ306010 的模擬側(cè)具有三個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)峰值電流可調(diào)，最高可達(dá) 500 毫安，有一個(gè)自調(diào)整死區(qū)時(shí)間發(fā)生器功能，以防止橋“擊穿”和損壞，另外還有一個(gè)電流感應(yīng)放大器和一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)放大器。一個(gè)集成的充電泵將所提供的柵極驅(qū)動(dòng)電壓從一個(gè)較低電壓源電壓提升到 13 伏。

　　對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器有直接的支持，模擬前端 （AFE） 也可用于支持其他類型的反饋傳感器。與任何設(shè)計(jì)合理的電機(jī)控制一樣，其功能包括過(guò)熱保護(hù)、過(guò)/欠電壓鎖定 （UVLO）、過(guò)流檢測(cè)和對(duì)電機(jī)鎖定條件的保護(hù)。

　　圖 9 中的例子展示了 RAJ306010 如何輕松處理一個(gè)基本的獨(dú)立應(yīng)用，如 24 伏的無(wú)繩攪拌機(jī)，盡管它幾乎可以是任何類似的小家電。請(qǐng)注意，大部分的電路都用于給八芯電池組充電和管理，而電機(jī)控制只需要控制 IC、外部三相橋接器（逆變器）、反饋電壓感應(yīng)電路（通過(guò)電流檢測(cè)電阻器）和用戶的“啟動(dòng)”按鈕。

圖 9：RAJ306010 的高級(jí)功能集成清楚地表明，基本家電的核心電機(jī)控制功能（如這種電池供電的攪拌器）所需的額外電路和額外元件是多么少。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　BLDC 電機(jī)控制上手體驗(yàn)

　　在紙上或在 PC 上使用整個(gè)系統(tǒng)的各種模型來(lái)計(jì)劃、模擬、評(píng)估和調(diào)整一個(gè)電機(jī)控制應(yīng)用是一回事。而運(yùn)行一個(gè)實(shí)際的電機(jī)，并使用真實(shí)的組件、真實(shí)的負(fù)載和真實(shí)的動(dòng)力來(lái)測(cè)試性能，以及了解設(shè)置初始啟動(dòng)條件和各種性能參數(shù)變化的影響則是另一回事。

　　這就是 Renesas RTK0EML2C0S01020BJ 電機(jī)控制評(píng)估系統(tǒng)（圖 10）成為設(shè)計(jì)工程師重要資產(chǎn)的原因，同時(shí)該系統(tǒng)還配套了 Renesas Motor Workbench 以方便調(diào)試。這個(gè)軟件工具能夠讓設(shè)計(jì)者熟悉 RAJ306010 的操作、其輸入和輸出模式以及其各種控制寄存器的功能。

圖 10：該板是 Renesas RTK0EML2C0S01020BJ 電機(jī)控制評(píng)估系統(tǒng)的核心，當(dāng)與 Renesas Motor Workbench 軟件一起使用時(shí)，可加快參數(shù)的微調(diào)和使用 RAJ306010 電機(jī)控制 IC 時(shí)對(duì)電機(jī)性能的評(píng)估。（圖片來(lái)源：Renesas）

　　為了更快地進(jìn)入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，該評(píng)估系統(tǒng)包括了一個(gè) 24 伏/420 mA 的 BLDC 電機(jī)，空載速度為 3900 RPM，額定扭矩為 19.6 毫牛頓?米 （mN-m）（相當(dāng)于 200 克力?厘米）。此外，Renesas 還提供了用于無(wú)傳感器和基于傳感器的控制的樣本軟件控制程序。

　　結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)人員考慮在其系統(tǒng)中使用直流電機(jī)時(shí)，除了傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)外，還有許多選擇。高性能、高性價(jià)比 BLDC 電機(jī)可在小型封裝中用于實(shí)現(xiàn)大功率和高精度要求。為了充分實(shí)現(xiàn)這些無(wú)刷直流電機(jī)的潛力，人們開(kāi)發(fā)出了智能控制器，它能夠使用用戶所需的參數(shù)實(shí)現(xiàn)所需的算法。這些器件還能為電機(jī)的開(kāi)關(guān) MOSFET 和其他模擬 I/O 提供必要的驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)完整的電機(jī)控制解決方案。

　　如上所述，像 Renesas RAJ306010 這樣的 IC，在開(kāi)發(fā)套件和軟件的支持下，大大簡(jiǎn)化了為家電、汽車座椅和窗戶以及以及其他許多現(xiàn)在常見(jiàn)的應(yīng)用提供高性能、小尺寸和高效電機(jī)控制的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　BLDC Motor Control Algorithms

　　RTK0EML2C0S01020BJ BLDC Motor Control Evaluation System for RAJ3060xx Motor Control ICs

　　Application Note R01AN3786EJ0102， “Sensorless Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor （Algorithm）”

　　Portable Power Tools Solution

　　24V Cordless Blender

　　Motor Solutions： User-Friendly Motor Control Development Environment to Shorten Time to Market