高度整合IC助攻最大化馬達控制驅動靈活性
作者 : Joe Howell
與傳統的有刷直流馬達的機械自換向不同，無刷直流馬達(BLDC)控制需要一個電子換向電路。在這篇文章中，我們先簡要回顧BLDC馬達的工作原理，隨後介紹兩種最廣泛使用的換向方法在複雜性、扭矩波動和效率方面的特點、優點和缺點。
BLDC馬達是一種旋轉式的馬達，由定子上的三相電樞繞組和轉子上的永久磁鐵組成，其機械結構與傳統的永磁有刷直流馬達相反，其轉子上裝有永久磁鐵，定子上裝有馬達繞組。然而，正如其名，BLDC馬達沒有電刷，無需定期維護或更換，因而不易受到磨損。
BLDC轉子上的永久磁鐵提供一個恆定的磁場，使其成為一個高效率、高扭矩、低轉動慣量的馬達。BLDC的可靠性和變速驅動能力使其在眾多應用中很受歡迎，包括白色家電、暖通空調(HVAC)、汽車和工業機械，以及機器人。三相BLDC馬達的換向電路，通常用分離式元件或和微控制器(MCU)整合的功率模組實現。使用分離式元件的設計需要大量的設計專業知識和經驗來構建和排除故障，需要一定的時間來實施。
不過，採用分離式功率級的專用馬達控制IC，已成為一種更受歡迎的方法，因為幾乎不需要額外的電路，而且許多製造商為其產品提供專用的配套軟體，這大大簡化了設置和調試。一個完全分離的解決方案通常可以將解決方案的元件成本降到最低。
然而，一個整合度更高的解決方案，可以通過減少印刷電路板(PCB)面積和製造步驟，降低整體系統成本，最少化物料單(BOM)元件，降低庫存成本，並促進在新設計中快速重用反覆運算，並提高整體解決方案的可靠性。 現在，微控制器(MCU)廠安森美(Onsemi)還提供一款帶有分離式功率級的系統級封裝(SiP)專用控制IC。
BLDC控制
與典型的有刷直流馬達不同，BLDC馬達控制系統被稱為「逆變器(Inverter)」。它包括一個驅動馬達的功率級、用於感測無感測器工作的反電勢信號檢測放大器、用於有感測器工作的編碼器或霍爾感測器，以及一個以MCU為基礎設計的控制器。控制器將速度和位置的回饋資訊轉換為適當的PWM信號，以實現對馬達的動態控制。
逆變器系統有許多優勢，可以抵消其在成本和複雜性方面的缺點：更高可靠性和能效，更少雜訊，更寬的工作範圍以及對速度和扭矩的出色控制。要設計BLDC無刷直流逆變系統，還需要具備電子設計、布局(Layout)和韌體程式設計方面的專業知識，並有完成這些工作的工具和資源。
梯形控制和磁場定向控制(FOC, 又稱向量控制)，是在BLDC系統中廣泛使用的兩種換向演算法。梯形換向是最簡單的，但效率最低且雜訊最大；FOC則實現起來更複雜，不過通常更安靜、更高效。這兩種方法都可以採用有感測器或無感測器的工作方式。
梯形換向
梯形換向在每個馬達相上使用兩個功率開關器件，它們遵循預先確定開關順序。這種方法很受歡迎，因為控制演算法很簡單，而且能夠基於最基礎的MCU實現。梯形控制在控制馬達速度方面非常有效，但卻是效率最低的方法。
儘管如此，它在換向過程中仍受高扭矩波動影響，特別是在低速時，梯形換向在需要簡單閉環工作的低端應用中很受歡迎。由於非線性因素，產生了巨大的扭矩波動，而且在任何特定時間，三個馬達繞組中只有兩個有電流流過。
結果，非線性因素產生雜訊和振動，而且由於電流控制器必須足夠慢，不能對電流從相位到相位的傳輸瞬態做出回應，因此限制了整體性能。180度換向方法可以通過梯形換向產生高扭矩，但120度換向可最小化扭矩波動。開關順序的確定是為了在馬達旋轉時進行兩個連續的馬達相位(間隔為60度)。
圖1：六步梯型控制波形圖。
磁場定向控制
FOC是一種更複雜的換向方法，具有更高的處理要求，更適合於高端應用。與梯形換向相比，FOC的優點包括精確定位、更高的速度、更低的扭矩波動和更低的雜訊，以及更高的電源效率。使用FOC換向方法，馬達可以基於馬達電流回饋去計算電壓和電流向量，從而實現無感測器換向，但如果應用需要，也可以利用霍爾感測器。
FOC可以在寬廣的工作電壓範圍內保持高效率，能夠對速度和扭矩進行精確的動態控制。在FOC中，三個定子電流代表一個由正交扭矩和磁通分量組成的向量。克拉克和派克的數學變換將不同時間的交流電流和電壓波形轉換為直流值，大大簡化了下游的處理要求。FOC的主要缺點是需要增加處理能力，因此可能需要一個更強大的MCU。
直接扭矩和磁通量控制
雖然DTC和DTFC已經存在了一段時間，但Theta Power Solutions, Intl (TPSI)開發了一種新的無感測器BLDC換向法，直接控制扭矩和磁通量。雖然DTFC不是一個新概念，TPSI開發出了一種獨特的、更有效的方法，為BLDC馬達提供磁通弱化，以提高高速能力。它是制動演算法的理想選擇，能夠提供高慣性負載的可控減速。
它採用了高速資料匯流排，可以傳輸即時馬達回饋信息，以提供每安培最大扭矩(MTPA)的控制電流。它在所有負載條件下(甚至在飽和狀態下)都能確保馬達的高效率，並具有熱補償功能，讓馬達可以不間斷運行或在極端溫度下運行。對於需要在非常低的速度下獲得精確扭矩的應用，TPSI的無感測器解決方案方案可以很好地解決這一問題，由於不需要感測器，讓使用者可以降低系統成本。
TPSI的方案與傳統的DTC(和FOC)相比，其優勢包括但不限於：
- 能夠以極低的電流需求進行閉環啟動
- 在更大的速度範圍內具有卓越的穩定性
- 無感測器工作
- 高速遙測技術允許將馬達作為感測器使用
- 每安培的最大扭矩
- 雜訊最小化
- 易於擴展性能
- 出色的低速性能（~5Hz），無需感測器
- 在整個速度範圍內具有出色的扭矩調節能力
- 使用者介面簡化了流程，讓馬達快速運行
3合1的控制選擇
TPSI的DTFC需要額外的處理能力來實現，而ECS640A是業界第一款基於Arm Cortex M0+核心處理器的MCU，也是該系列的第一個產品，用以實現這一先進控制技術。ECS640A是一個SiP IC，整合Arm Cortex M0+核心處理器、三個檢測放大器、一個參考放大器、三個自舉二極體及一個為高電壓、高速運行而設計的高壓柵極驅動器，所有這些都在一個10mmx13mm的QFN封裝中。安森美的ecoSpin系列，則可配置馬達控制器，可選用上述三種控制方法中的任何一種。
它可以驅動工作電壓高達600V的MOSFET和IGBT(FAN73896)，並有六個柵極驅動器輸出，可向外部功率器件提供350mA/650mA (典型值)的柵極電流。該器件包括GPIO霍爾感測器輸入，以支援所需的感測功能操作，並有三個獨立的低端源引腳，允許進行單一或多個分流測量。
小尺寸和高整合度，使得該產品非常適合與分離式功率元件一起使用，以最大限度地提高擴展性。它配有一個由快閃記憶體載入器、元件啟動和系統檔、外部驅動器(CMSIS-Driver樣式)所組成的軟體發展套件(SDK)，以及用於外設演示的示例代碼。安森美並與Theta Power Solutions, Inc.合作，為ECS640A提供DTFC固件。
易於使用的圖形化使用者介面，簡化代碼開發，加快產品上市。用戶會喜歡這種整合的解決方案，它為所使用的特定馬達自動生成系數和參數，使系統易於設置並且能夠快速運行，不會因旋轉馬達的細節疏漏而出錯。
靈活性和整合性
BLDC馬達在各種應用中越來越受歡迎，但需要適當的換向來充分發揮其優勢。在選擇BLDC馬達控制器IC時，選擇能提供最多換向選擇和高集成度的IC是有意義的。安森美的ECS640A馬達控制器提供靈活性和易用性，支援有感測器和無感測器應用。
本文原刊登於EDN China網站
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