提升马达控制驱动器整合度、最大化灵活性

本文叙述三相永磁无刷直流（BLDC）马达的工作原理，并介绍两种换向方法在复杂性、力矩波动和效率方面的特点、优点和缺点；同时提出一种创新的BLDC换向方法，以及马达控制器IC在三种换向方法的作用。
与传统的有刷直流马达的机械自换向不同，三相永磁无刷直流（Brushless DC ；BLDC）马达控制需要一个电子换向电路。本文简要回顾BLDC马达的工作原理，并介绍两种最广泛使用的换向方法在复杂性、力矩波动和效率方面的特点、优点和缺点；然后提出一种创新的BLDC换向方法，并探讨安森美（onsemi）的新款马达控制器集成电路（IC）的特性和优点，该IC可适用于三种换向方法。

BLDC结构
BLDC马达是一种旋转式的马达，由定子上的三相电枢绕组和转子上的永磁体组成。BLDC马达的机械结构与传统的永磁有刷直流马达相反，其转子上装有永磁体，定子上装有马达绕组。
然而，正如其名，BLDC马达没有电刷，无需定期维护或更换，因而不易受到磨损。BLDC转子上的永磁体提供一个恒定的磁场，使其成为高效率、高力矩、低转动惯量的马达。BLDC的可靠性和变速驱动能力使其在众多应用中很受欢迎，包括白家电、暖通空调（HVAC）、汽车和工业机械，以及机器人。
三相BLDC马达的换向电路通常用分立组件或MCU和整合的功率模块实现。使用分立组件的设计需要大量的设计专业知识和经验来构建和排除故障，需要一定的时间来实施。采用分立功率级的专用马达控制IC已成为一种更受欢迎的方法，因为几乎不需要额外的电路，而且许多制造商为其产品提供专用的配套软件，这大大简化了设置和调试。一个完全分立的解决方案通常可以将解决方案的组件成本降到最低。
而一个更加整合的解决方案可以通过减少PCB面积和制造步骤来降低整体系统成本—最少化物料列表（BOM）组件，降低库存成本，并促进在新设计中快速重用迭代—并提高整体解决方案的可靠性。目前安森美已提供一款带有分立功率级的专用控制IC。

BLDC控制
与典型的有刷直流马达不同，BLDC马达控制系统被称为逆变器。它包括一个驱动马达的功率级、用于感测无传感器工作的反电势讯号检测放大器、用于有传感器工作的编码器或霍尔传感器，以及一个基于MCU的控制器。
控制器将速度和位置的回馈信息转换为适当的PWM讯号，以实现对马达的动态控制。逆变器系统有许多优势，可以抵消其在成本和复杂性方面的缺点：更高可靠性和能效，更少噪声，更宽的工作范围以及对速度和力矩的出色控制。要设计BLDC无刷直流逆变系统，还需要具备电子设计、布板和韧体编程方面的专业知识，并有完成这些工作的工具和资源。
梯形控制和磁场导向控制（FOC，又称为向量控制），是在BLDC系统中广泛使用的两种换向算法。梯形换向是最简单的，但却是效率最低、噪声最大的方法。FOC实现起来更复杂，但通常更安静、更高效。这两种方法都可以采用有传感器或无传感器的工作方式。


 
图1 : BLDC体现霍尔传感器位置（source：Onsemi）

梯形换向
梯形换向在每个马达相上使用两个功率开关组件，它们遵循预先确定的「开-关」顺序。这种方法很受欢迎，因为控制算法很简单，而且能够基于最基础的MCU实现。梯形控制在控制马达速度方面非常有效，但却是效率最低的方法。尽管如此，它在换向过程中仍受高力矩波动影响，特别是在低速时，梯形换向在需要简单死循环工作的低端应用中很受欢迎。

由于非线性因素，产生了巨大的力矩波动，而且在任何特定时间，三个马达绕组中只有两个有电流流过。结果，非线性因素产生了噪声和振动，而且由于电流控制器必须足够慢，不能对电流从相位到相位的传输瞬态做出回应，因此限制了整体性能。180°换向方法可以通过梯形换向产生高力矩，但120°换向可最小化力矩波动。开关顺序的确定是为了在马达旋转时进行两个连续的马达相位（间隔为60°）。


 
图2 : 6步梯形控制波形（source：Onsemi）

磁场导向控制
FOC是一种更复杂的换向方法，具有更高的处理要求，更适合于高端应用。与梯形换向相比，FOC的优点包括精确定位、更高的速度、更低的力矩波动和更低的噪声，以及更高的电源效率。使用FOC换向方法，马达可以基于马达电流回馈去计算电压和电流向量，从而实现无传感器换向，但如果应用需要，也可以利用霍尔效应传感器。
FOC可以在宽广的工作电压范围内保持高效率，能够对速度和力矩进行精确的动态控制。在FOC中，三个定子电流代表一个由正交力矩和磁通分量组成的向量。克拉克和帕克的数学变换将不同时间的交流电流和电压波形转换为直流值，大大简化了下游的处理要求。FOC的主要缺点是需要增加处理能力，这可能需要一个更强大的MCU。

直接力矩和磁通量控制
虽然DTC和DTFC已经存在了一段时间，但Theta Power Solutions, Intl （TPSI）开发了一种新的无传感器BLDC换向法，直接控制力矩和磁通量。虽然DTFC不是一个新概念，TPSI开发出了一种独特的、更有效的方法，为BLDC马达提供磁通弱化，以提高高速能力。
TPSI的无传感器解决方案是制动算法的理想选择，能够提供高惯性负载的可控减速。它采用了高速数据总线，可以传输实时马达回馈信息，以提供每安培最大力矩（MTPA）的控制电流。它在所有负载条件下（甚至在饱和状态下）都能确保马达的高效率，并具有热补偿功能，让马达可以不间断运行或在极端温度下运行。
对于需要在非常低的速度下获得精确力矩的应用，TPSI的无传感器解决方案可以很好地解决这一问题，由于不需要传感器，让用户可以降低系统成本。

TPSI的方案与传统的DTC（和FOC）相比，其优势包括但不限于：

- 能够以极低的电流需求进行死循环启动;
- 在更大的速度范围内具有卓越的稳定性;
- 无传感器工作;
- 高速遥测技术允许将马达作为传感器使用;
- 每安培的最大力矩;
- 噪音最小化;
- 易于扩展性能;
- 出色的低速性能（~5Hz），无需传感器;
- 在整个速度范围内具有出色的力矩调节能力;
- 用户接口简化了流程，让马达快速运行。

TPSI的DTFC需要额外的处理能力来实现。ECS640A是基于Arm Cortex-M0+级MCU实现这一先进控制技术的产品。

控制选择三合一
安森美ecoSpin系列可配置马达控制器可选用上述三种控制方法中的任何一种。ECS640A是该系列的第一个组件，是一个系统级封装（SiP）方案。它整合了Arm Cortex-M0+微控制器、检测放大器、参考放大器、自举二极管，以及为高电压、高速运行而设计的高压栅极驱动器，统合在10mmx13mm的QFN封装中。它可以驱动工作电压高达600V的MOSFET和IGBT（FAN73896），并有六个栅极驱动器输出，可向外部功率器件提供350mA/650mA（典型值）的栅极电流。该器件包括GPIO霍尔传感器输入，以支持所需的感测操作，并有三个独立的低端源引脚，允许进行单一或多个分流测量。
小尺寸和高整合度使得该组件适合与分立功率组件一起使用，以最大限度地提高扩展性。它配有一个由闪存加载器、器件启动和系统文件、外设驱动器（CMSIS-Driver样式）组成的软件开发工具包（SDK），以及用于外设演示的示例代码。安森美还与Theta Power Solutions, Inc.合作，为ECS640A提供DTFC固件，这使得在Arm Cortex-M0+处理器上实现优化的马达性能。
易于使用的图形用户接口简化了代码开发，加快产品上市。这种整合的解决方案为所使用的特定马达自动生成系数参数，使系统易于设置并且能够快速运行，不会因旋转马达的细节疏漏而出错。

灵活性和整合性
BLDC马达在各种应用中越来越受欢迎，但需要适当的换向来充分发挥其优势。在选择BLDC马达控制器IC时，选择能提供最多换向选择和高整合度的IC是有意义的。ECS640A马达控制器提供灵活性和易用性，支持有传感器和无传感器应用。
（本文作者Joe Howell为安森美资深系统工程师）