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简化三相BLDC电机控制和驱动系统的策略
作者:Microchip Technology Inc.
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伺服与运动控制展厅
电机驱动器, 伺服电机, 伺服控制系统, 数控系统, ...
高度集成的半导体产品不仅是消费类产品的潮流,同时也逐步渗透至电机控制应用。与此同时,无刷直流(BLDC)电机在汽车和医疗应用等众多市场中也呈现出相同态势,其所占市场份额正逐渐超过其他各类电机。随着对BLDC电机需求的不断增长以及相关电机技术的日渐成熟,BLDC电机控制系统的开发策略已逐渐从分立式电路发展成三个不同的类别。这三类主要方案划分为片上系统(SoC)、应用特定的标准产品(ASSP)和双芯片解决方案。

这三类主要方案均能减少应用所需的元件数并降低设计复杂度,因此正逐渐受到电机系统设计工程师的青睐。不过,每种策略都有其各自的优缺点。本文将论述这三种方案及其如何在设计的集成度和灵活性之间做出权衡。

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图1:典型的分立式BLDC电机系统框图

基本电机系统包含三个主要模块:电源、电机驱动器和控制单元。图1给出了传统的分立式电机系统设计。电机系统通常包含一个简单的带集成闪存的RISC处理器,此处理器通过控制栅极驱动器来驱动外部MOSFET。该处理器也可以通过集成的MOSFET和稳压器(为处理器和驱动器供电)来直接驱动电机。

SoC电机驱动器集成了上述所有模块,并且具有可编程性,能够适用于各类应用。此外,它还是因空间受限而需要优化的应用的理想选择。但是,其处理性能较低且内部存储空间有限,因此无法应用于需要高级控制的电机系统。SoC电机驱动器IC的另一个缺点是开发工具有限,例如缺乏固件开发环境。大多数业界领先的单片机供应商均提供种类繁多的易用工具,这一点与之形成鲜明对比。

ASSP电机驱动器面向某一特定领域设计,一切都针对某个狭义应用而优化。其占用空间极小且无需软件调节。此外,它还是空间受限应用的理想选择。图2给出了10引脚DFN风扇电机驱动器的框图。由于ASSP电机驱动器通常专注于大批量生产应用,因此往往拥有出色的性价比。不过,这并不意味着依靠ASSP驱动器运行的电机需要牺牲性能。例如,大多数现代ASSP电机驱动器能够驱动采用无传感器和正弦算法的BLDC电机,而过去则需要使用高性能单片机才能实现这一点。但是,ASSP产品缺乏可编程性且不能调节驱动强度,这会限制其适应日益变化的市场需求的能力。

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图2:独立式风扇电机驱动器框图

尽管高集成度是当今电子产品的一大趋势,但仍有大量应用对具有丰富模拟驱动器和智能模拟单片机的双芯片解决方案的需求不断增长。双芯片策略允许设计人员从各种单片机中进行选型,支持采用梯形或正弦驱动技术的有传感器换向或无传感器换向。采用此方案时,配套驱动器芯片的选择至关重要。理想的配套芯片至少应包含以下特性:

●高效的可调节稳压器,用于降低功耗并为各类单片机供电

●监视和后台处理模块,确保电机安全运行并允许主机与驱动器之间进行双向通信

●可优化性能的可选参数,无需投入额外的编程工作量

●适用于MOSFET或BLDC电机的额定功率驱动器

图3给出了双芯片解决方案示例,其搭配使用功能丰富的三相电机驱动器与高性能数字信号控制器(DSC)来驱动六个N沟道MOSFET,实现了永磁同步电机(即PMSM,一种无刷电机)的磁场定向控制。如果简单的六步控制架构已经足够,则可以使用成本低廉的低档8位单片机来替代DSC。当选择具有近似额定功率的BLDC电机时,即便不改变驱动电路也能实现上述控制。

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图3:具有外部MOSFET的双芯片BLDC解决方案

总的来说,采用SoC和ASSP电机驱动器时,电机系统设计人员不仅使用的元件数最少,而且灵活性也可达中等程度。但是,这类高度集成的解决方案各自有不同的局限性,例如固定的功能、有限的存储容量和处理能力。表1比较了上述三种主要的BLDC电机控制策略。

表1:BLDC电机控制策略比较
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与分立式设计相比,现代电机控制与驱动解决方案不仅降低了物料成本,而且缩短了系统开发时间,同时对构建针对所选BLDC电机进行优化的系统没有影响。半导体供应商提供的硬件以及固件参考设计和库可极大地缩短开发时间,从而加快将高级电机控制和驱动概念投入市场的步伐。
文章内容仅供参考 (投稿) (2014-11-7)
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