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簡化三相BLDC電機控制和驅(qū)動系統(tǒng)的策略

時間:2017-12-12 10:28:17來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語:? 高度集成的半導(dǎo)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

高度集成的半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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。

簡化三相BLDC電機控制和驅(qū)動系統(tǒng)的策略

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(fēng)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。

簡化三相BLDC電機控制和驅(qū)動系統(tǒng)的策略 

 圖2:獨立式風(fēng)扇電機驅(qū)動器框圖

盡管高集成度是當(dāng)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(dāng)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。

簡化三相BLDC電機控制和驅(qū)動系統(tǒng)的策略

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。

簡化三相BLDC電機控制和驅(qū)動系統(tǒng)的策略

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(dǎo)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。

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