簡化三相BLDC電機控制和驅(qū)動系統(tǒng)的策略 - 全文

　　高度集成的半導體產(chǎn)品不僅是消費類產(chǎn)品的潮流，同時也逐步滲透至電機控制應(yīng)用。與此同時，無刷直流（BLDC）電機在汽車和醫(yī)療應(yīng)用等眾多市場中也呈現(xiàn)出相同態(tài)勢，其所占市場份額正逐漸超過其他各類電機。隨著對BLDC電機需求的不斷增長以及相關(guān)電機技術(shù)的日漸成熟，BLDC電機控制系統(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)用特定的標準產(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)計復雜度，因此正逐漸受到電機系統(tǒng)設(shè)計工程師的青睞。不過，每種策略都有其各自的優(yōu)缺點。本文將論述這三種方案及其如何在設(shè)計的集成度和靈活性之間做出權(quán)衡。

圖1：典型的分立式BLDC電機系統(tǒng)框圖

　　基本電機系統(tǒng)包含三個主要模塊：電源、電機驅(qū)動器和控制單元。圖1給出了傳統(tǒng)的分立式電機系統(tǒng)設(shè)計。電機系統(tǒng)通常包含一個簡單的帶集成閃存的RISC處理器，此處理器通過控制柵極驅(qū)動器來驅(qū)動外部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)動器供電）來直接驅(qū)動電機。

　　SoC電機驅(qū)動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)部存儲空間有限，因此無法應(yīng)用于需要高級控制的電機系統(tǒng)。SoC電機驅(qū)動器IC的另一個缺點是開發(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)先的單片機供應(yīng)商均提供種類繁多的易用工具，這一點與之形成鮮明對比。

　　ASSP電機驅(qū)動器面向某一特定領(lǐng)域設(shè)計，一切都針對某個狹義應(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風扇電機驅(qū)動器的框圖。由于ASSP電機驅(qū)動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比。不過，這并不意味著依靠ASSP驅(qū)動器運行的電機需要犧牲性能。例如，大多數(shù)現(xiàn)代ASSP電機驅(qū)動器能夠驅(qū)動采用無傳感器和正弦算法的BLDC電機，而過去則需要使用高性能單片機才能實現(xiàn)這一點。但是，ASSP產(chǎn)品缺乏可編程性且不能調(diào)節(jié)驅(qū)動強度，這會限制其適應(yīng)日益變化的市場需求的能力。

圖2：獨立式風扇電機驅(qū)動器框圖

　　盡管高集成度是當今電子產(chǎn)品的一大趨勢，但仍有大量應(yīng)用對具有豐富模擬驅(qū)動器和智能模擬單片機的雙芯片解決方案的需求不斷增長。雙芯片策略允許設(shè)計人員從各種單片機中進行選型，支持采用梯形或正弦驅(qū)動技術(shù)的有傳感器換向或無傳感器換向。采用此方案時，配套驅(qū)動器芯片的選擇至關(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供電

　　●監(jiān)視和后臺處理模塊，確保電機安全運行并允許主機與驅(qū)動器之間進行雙向通信

　　●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電機的額定功率驅(qū)動器

　　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驅(qū)動器與高性能數(shù)字信號控制器（DSC）來驅(qū)動六個N溝道MOSFET，實現(xiàn)了永磁同步電機（即PMSM，一種無刷電機）的磁場定向控制。如果簡單的六步控制架構(gòu)已經(jīng)足夠，則可以使用成本低廉的低檔8位單片機來替代DSC。當選擇具有近似額定功率的BLDC電機時，即便不改變驅(qū)動電路也能實現(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電機驅(qū)動器時，電機系統(tǒng)設(shè)計人員不僅使用的元件數(shù)最少，而且靈活性也可達中等程度。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、有限的存儲容量和處理能力。表1比較了上述三種主要的BLDC電機控制策略。

表1：BLDC電機控制策略比較

　　與分立式設(shè)計相比，現(xiàn)代電機控制與驅(qū)動解決方案不僅降低了物料成本，而且縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，同時對構(gòu)建針對所選BLDC電機進行優(yōu)化的系統(tǒng)沒有影響。半導體供應(yīng)商提供的硬件以及固件參考設(shè)計和庫可極大地縮短開發(fā)時間，從而加快將高級電機控制和驅(qū)動概念投入市場的步伐。