專為簡(jiǎn)化汽車應(yīng)用BLDC電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

從遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 控制的車庫(kù)開門器和車窗到衛(wèi)星推進(jìn)控制器，無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)越來(lái)越多地用于許多不同的應(yīng)用。對(duì)于BLDC電機(jī)，設(shè)計(jì)人員面臨的問題是驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的控制算法很復(fù)雜，而且往往是專用的。這使得一般工程師很難在合理時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行這種電機(jī)。

開發(fā)人員通常只能選擇在微控制器上運(yùn)行的基于軟件的解決方案（這是一種靈活的軟件解決方案，但也給微控制器帶來(lái)了計(jì)算負(fù)擔(dān)），或者使用專用集成電路 (IC)。后者封裝了完整的BLDC電機(jī)控制功能，并將BLDC控制從主機(jī)轉(zhuǎn)移到其中。

本文首先討論基于微控制器的軟件解決方案和專用硬件芯片解決方案之間的區(qū)別，隨后深入探討如何使用Allegro MicroSystems的A4964KJPTR-T——專為簡(jiǎn)化汽車應(yīng)用BLDC電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本文將展示如何與A4964KJPTR-T交互，以及一些避免意外行為的最佳做法。

BLDC電機(jī)極簡(jiǎn)介紹

BLDC電機(jī)在廣泛的速度范圍內(nèi)提供高效扭矩輸送，噪音小，沒有有刷電機(jī)的機(jī)械摩擦。BLDC電機(jī)由電流而非電壓控制，用途廣泛，其形狀、尺寸和成本也因應(yīng)用不同而各異。

例如，TRINAMIC Motion Control的QBL4208-41-04-006是一款24V、4000RPM的電機(jī)，可提供高達(dá)0.06Nm的扭矩（圖1）。該電機(jī)很輕巧（0.662lb），并為開發(fā)人員提供了多種電機(jī)控制選擇，如通過使用反電動(dòng)勢(shì) (BEMF) 的無(wú)傳感器操作，或使用能報(bào)告位置的內(nèi)置傳感器。

圖1：QBL4208-41-04-006是一款24V、4000RPM BLDC電機(jī)，最高速度下可提供略高于0.06Nm的扭矩。（圖片來(lái)源：TRINAMIC Motion Control GmbH）

如需更大扭矩，設(shè)計(jì)人員可以使用QBL4208-41-04-025，這款電機(jī)也是來(lái)自TRINAMICMotion Control（圖2）。這是一款24V、4000RPM BLDC電機(jī)，可提供略高于0.25Nm的扭矩。

圖2：TRINAMIC Motion Control的QBL4208-41-04-025是一款24V、4000 RPM BLDC電機(jī)，最高速度下可提供略高于0.25Nm的扭矩。（圖片來(lái)源：TRINAMIC Motion Control GmbH）

BLDC電機(jī)通過三相線驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)再推動(dòng)永久磁鐵，使定子移動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。

理論上，這聽起來(lái)很容易，但實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)相當(dāng)復(fù)雜，開發(fā)人員只能選擇使用軟件框架來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，或者選擇專用芯片解決方案。

軟件與專用芯片解決方案

在解決如何轉(zhuǎn)動(dòng)BLDC電機(jī)的問題時(shí)，開發(fā)人員應(yīng)該考慮若干因素。這些因素基本上可歸結(jié)為：

BOM成本與人工成本

電路板復(fù)雜性與軟件復(fù)雜性

維護(hù)時(shí)間和成本

從硬件的角度來(lái)看，走軟件路線可能非常有吸引力，因?yàn)閷Ｓ眯酒鉀Q方案會(huì)給BOM增加一些額外的成本。若不使用專用芯片，則能去掉該成本，花很少的錢去買微控制器，把所有控制算法放進(jìn)該微控制器里。這似乎是雙贏的做法，但團(tuán)隊(duì)往往沒考慮到該決定的全部后果。

是的，BOM成本降低了，但微控制器上增加了額外負(fù)擔(dān)，要處理BLDC狀態(tài)數(shù)據(jù)并持續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如果微控制器還要對(duì)其他傳感器進(jìn)行采樣、與無(wú)線電通信以及控制其他設(shè)備，那么稍不注意，軟件開發(fā)和維護(hù)成本就可能突飛猛漲。

不過，微控制器中基于軟件的解決方案具備靈活性，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)可以微調(diào)其電機(jī)控制算法。使用軟件也并不意味著事情總會(huì)趨于極度復(fù)雜。

例如，通常情況下，將電機(jī)控制算法移入微控制器會(huì)占用更多的RAM，并需要大量閃存。然而，如果團(tuán)隊(duì)使用專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的微控制器，如Texas Instruments的F280049CRSHSR電機(jī)控制微控制器，算法已內(nèi)置在微控制器ROM的庫(kù)中。這意味著向應(yīng)用程序添加的額外代碼只有對(duì)庫(kù)進(jìn)行訪問的函數(shù)調(diào)用，所有繁重的工作都由該庫(kù)完成。

不過，轉(zhuǎn)動(dòng)BLDC電機(jī)不僅是軟件的問題，還需要硬件。圖3顯示了使用C2000微控制器的應(yīng)用實(shí)例，其中F280049CRSHSR是該系列的成員。此圖說明了驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)所需的一切以及可選項(xiàng)。除了微控制器，還需要某種三相功率級(jí)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)的三個(gè)相位，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3：Texas Instruments的C2000微控制器專為電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)。此圖為應(yīng)用實(shí)例，中間是微控制器，其余為驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)的必需和可選電路。（圖片來(lái)源：TexasInstruments）

利用微控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)疑具有吸引力，但專用硬件解決方案怎么樣呢？我們來(lái)看看Allegro MicroSystems的A4964KJPTR-T電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片。

Allegro MicroSystems的A4964KJPTR-T電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

Allegro MicroSystems的A4964KJPTR-T電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是專用BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中包含了驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的所有能力（圖4）。該芯片專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并與N溝道MOSFET搭配使用，具有無(wú)傳感器啟動(dòng)和換向功能，因此需要的外部硬件極少。A4964KJPTR-T的工作電壓范圍也很廣，從5.5V至50V，不僅適用于汽車系統(tǒng)，而且?guī)缀鹾w了所有標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。

A4964KJPTR-T最引人注目的特性或許是，它能通過串行外設(shè)接口 (SPI) 與微控制器或中央電子控制單元 (ECU) 相連接，以配置電機(jī)運(yùn)行的各種寄存器。顯然，該微控制器不需要像運(yùn)行電機(jī)控制算法本身的微控制器那樣強(qiáng)大。

? 圖4：A4964KJPTR-T BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作電壓為5.5V至50V，提供無(wú)傳感器啟動(dòng)和換向。電機(jī)速度可通過SPI或?qū)Ｓ肞WM信號(hào)進(jìn)行配置。（圖片來(lái)源：AllegroMicroSystems）

另外，很有意義的是，A4964KJPTR-T電機(jī)速度也可以在沒有SPI的情況下驅(qū)動(dòng)，只需提供脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)即可。它有非易失性存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)電機(jī)設(shè)置，上電時(shí)加載這些設(shè)置，允許只用PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)。

從配置角度而言，A4964KJPTR-T有32個(gè)可尋址16位寄存器，外加一個(gè)狀態(tài)寄存器。狀態(tài)寄存器很獨(dú)特，每次SP讀/寫操作時(shí)傳輸前5位，以便軟件可以檢查一般狀態(tài)，了解是否有任何故障或問題。對(duì)芯片執(zhí)行寫操作時(shí)，A4964KJPTR-T不會(huì)回傳數(shù)據(jù)，因此可以讀取所有狀態(tài)寄存器。

在32個(gè)可尋址寄存器中，還有兩個(gè)特殊寄存器。寄存器30是只寫寄存器，寄存器31是只讀寄存器。只寫寄存器允許開發(fā)人員以0 – 1023之間的值設(shè)置需求輸入，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)的占空比速率。只讀寄存器的數(shù)據(jù)根據(jù)寫入寄存器29（即回讀選擇寄存器）的請(qǐng)求數(shù)據(jù)而改變。該寄存器允許檢索各種遙測(cè)信息，例如：

診斷

電機(jī)速度

平均供電電流

供電電壓

芯片溫度

需求輸入

應(yīng)用的橋峰值占空比

應(yīng)用的相位前移

除了這些特殊寄存器，其余30個(gè)寄存器允許對(duì)具體的電機(jī)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，并允許使能或禁用故障，如限流和柵極驅(qū)動(dòng)故障。

專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器很有意義，其將運(yùn)行電機(jī)所需的各種配置都存儲(chǔ)在幾十個(gè)配置寄存器中。這極大地消除了微控制器原本會(huì)產(chǎn)生的軟件開銷，也許更重要的是，還極大地降低了軟件開發(fā)和維護(hù)成本。驅(qū)動(dòng)BLDC不過是發(fā)送PWM（這不會(huì)造成微控制器的任何開銷），或者使能電機(jī)位并提供基于SPI的需求輸入來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)BLDC。

A4964KJPTR-T使用技巧與訣竅

A4964KJPTR-T的連接很簡(jiǎn)單，以下是開發(fā)人員應(yīng)牢記的幾個(gè)“技巧與訣竅”，可以簡(jiǎn)化和加快他們的開發(fā)，例如：

狀態(tài)寄存器在每次寫入芯片時(shí)都會(huì)通過SPI接口返回，而不是用作專門的可尋址寄存器。這意味著驅(qū)動(dòng)代碼在寫入芯片時(shí)需要監(jiān)控SPI總線SDO線路以獲得狀態(tài)信息。

故障信息包括在狀態(tài)寄存器中，但當(dāng)微控制器提供地址訪問信息時(shí)，在前五位中可以看到每次SPI事務(wù)的芯片狀態(tài)概覽。此數(shù)據(jù)可用于確定是否出現(xiàn)任何問題。

存儲(chǔ)器映射中有兩個(gè)獨(dú)特的寄存器，一個(gè)只讀，一個(gè)只寫。這很簡(jiǎn)單，但要注意不要試圖讀取只寫寄存器，這樣做會(huì)把讀序列中的任何偽數(shù)據(jù)寫入該寄存器中。

該芯片有非易失性存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)默認(rèn)參數(shù)。這些參數(shù)被加載到RAM中，并在啟動(dòng)時(shí)使用。為確保芯片最有效地啟動(dòng)進(jìn)入就緒狀態(tài)，應(yīng)將“安全”啟動(dòng)值寫入芯片。

如果終端設(shè)備在嘈雜或重輻射環(huán)境中使用，那么設(shè)計(jì)應(yīng)用程序代碼定期重新確認(rèn)配置數(shù)據(jù)是不錯(cuò)的主意。芯片配置存儲(chǔ)在RAM中，這意味著它很容易受到宇宙射線、位反轉(zhuǎn)以及所有可能發(fā)生在電子產(chǎn)品中的奇怪、罕見事件的影響。

本文小結(jié)

用于汽車、物聯(lián)網(wǎng)或其他應(yīng)用的BLDC電機(jī)實(shí)現(xiàn)相當(dāng)普遍，但驅(qū)動(dòng)會(huì)很復(fù)雜。為了應(yīng)對(duì)軟件復(fù)雜性，開發(fā)人員可以使用專用BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如A4964KJPTR-T，其中封裝了所有電機(jī)控制功能。

雖然仍然需要軟件與芯片交互，但運(yùn)行軟件的微控制器只需要設(shè)定配置設(shè)置，A4964KJPTR-T就會(huì)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。嘗試使用A4964KJPTR-T時(shí)，開發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，遵循所提供的“技巧與訣竅”可以幫助節(jié)省不少時(shí)間，避免許多麻煩。

　　審核編輯：湯梓紅