簡化三相無刷直流電機控制和驅動系統(tǒng)的策略

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用。與此同時，無刷直流(BLDC)電機在汽車和醫(yī)療應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電機技術的日漸成熟，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用所需的元件數(shù)并降低設計復雜度，因此正逐漸受到電機系統(tǒng)設計工程師的青睞。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計的集成度和靈活性之間做出權衡。

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動器來驅動外部MOSFET。該處理器也可以通過集成的MOSFET和穩(wěn)壓器(為處理器和驅動器供電)來直接驅動電機。

SoC電機驅動器集成了上述所有模塊，并且具有可編程性，能夠適用于各類應用。此外，它還是因空間受限而需要優(yōu)化的應用的理想選擇。但是，其處理性能較低且內部存儲空間有限，因此無法應用于需要高級控制的電機系統(tǒng)。SoC電機驅動器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)界領先的單片機供應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電機驅動器面向某一特定領域設計，一切都針對某個狹義應用而優(yōu)化。其占用空間極小且無需軟件調節(jié)。此外，它還是空間受限應用的理想選擇。圖2給出了10引腳DFN風扇電機驅動器的框圖。由于ASSP電機驅動器通常專注于大批量生產(chǎn)應用，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電機驅動器能夠驅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節(jié)驅動強度，這會限制其適應日益變化的市場需求的能力。

圖2：獨立式風扇電機驅動器框圖

盡管高集成度是當今電子產(chǎn)品的一大趨勢，但仍有大量應用對具有豐富模擬驅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。雙芯片策略允許設計人員從各種單片機中進行選型，支持采用梯形或正弦驅動技術的有傳感器換向或無傳感器換向。采用此方案時，配套驅動器芯片的選擇至關重要。理想的配套芯片至少應包含以下特性：

高效的可調節(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動器與高性能數(shù)字信號控制器(DSC)來驅動六個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電機驅動器時，電機系統(tǒng)設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

與分立式設計相比，現(xiàn)代電機控制與驅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。半導體供應商提供的硬件以及固件參考設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動概念投入市場的步伐。