無刷直流（BLDC）電機控制解決方案

無刷直流（BLDC）電機正迅速成為要求高可靠性，高效率和高功率體積比的應用的自然選擇。這些電機在很寬的速度范圍內提供大量的扭矩，并且與有刷電機具有相似的扭矩和速度性能曲線特性（盡管有刷電機可提供更大的靜止扭矩）。

BLDC電機由于消除了傳統直流電機換向時使用的電刷而具有顯著的可靠性。刷子磨損，降低了電機的性能，最終必須更換。相反，在額定參數范圍內運行時，BLDC電機的預期壽命可超過10，000小時或更長。與傳統裝置相比，這種壽命以及隨后的維護和備件成本的降低可以抵消電機的較高初始成本。

BLDC電機正在進入最具成本意識的應用領域。例如，在汽車領域，BLDC電機的使用正在飆升。汽車制造商尤其被電機在機械工作中轉換電能的效率所吸引，這有助于降低對車輛電力系統的需求（圖1）。根據分析師IMS的研究，到2018年，6億只BLDC電機將用于內燃機驅動的輕型車輛，而2011年則為2億只。（BLDC電機的大型版本在電動和混合動力汽車中已經很常見。）

圖1：BLDC電機，如用于水泵的這種裝置，正在取代汽車應用中的傳統電機（Melexis提供）。

BLDC電機的這種興趣促使芯片供應商為該單元的電子控制系統開發定制的單片芯片。本文將詳細介紹BLDC電機控制芯片 - 用于驅動逆變橋的設備，最終激活電機線圈并控制速度和方向等參數。

減少霍爾傳感器故障

飛兆半導體公司擁有BLDC電機控制的悠久歷史，最近推出的FCM8201芯片仍在繼續。該器件專為感應BLDC電機控制而設計。 （傳感電機需要霍爾效應傳感器來指示線圈位置以輔助電子換向序列）。

FCM8201的關鍵技術進步是它可以選擇脈沖寬度調制（PWM）模式。有兩種PWM模式可供選擇：正弦波模式和方波模式。方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技術，可提高電機驅動效率。

Fairchild解釋說，該器件還內置霍爾信號調節電路，可為每個傳感器信號輸入產生3至6μs的“去抖”時間。該電路減少了霍爾傳感器信號轉換緩慢時可能出現的毛刺 - 以及隨后的錯誤。

FCM8201可以在沒有外部微控制器（MCU）的獨立配置中使用，或者如果設計人員想要添加比標準設備支持更多的電機控制功能，則可以通過串行外設接口連接外部MCU（ SPI）接口。圖2顯示了FCM8201的典型獨立應用電路。只需幾個外圍元件即可完成BLDC電機控制電路。

圖2：飛兆半導體FCM8201 BLDC電機控制器的典型獨立應用電路。

使用電機磁通進行無傳感器控制

無傳感器BLDC電機取消霍爾傳感器，而是依靠電機轉動時產生的反電動勢的大小來估算線圈位置并確定正確的換向順序。

無傳感器控制是一種流行的技術，因為它簡化了電機的機械設計，但一個缺點是電機靜止時不會產生反電動勢，而電機低速運行時則很少。這使得控制器難以確定線圈的位置。

針對低成本BLDC安裝，德州儀器（TI）推出了InstaSPIN-BLDC電機控制技術來解決這一問題。該公司表示，InstaSPIN-BLDC是一種無傳感器控制技術，在50多種不同電機類型的現場測試中，能夠在不到20秒的時間內啟動和運行每臺電機。簡而言之，TI將InstaSPIN-BLDC描述為在三相BLDC電機上執行無傳感器換向的軟件方法。據該公司稱，它的優勢包括電機調試非?？焖?，即使在低速時也能實現強大的控制，以及超越速度擾動的卓越能力。

與基于反電動勢過零時序的其他無傳感器BLDC控制技術不同，InstaSPIN-BLDC監控電機的磁通量，以確定何時換向電機。在自由圖形用戶界面（GUI）的幫助下（圖3），用戶在繪圖窗口中確定通量信號，并設置“通量閾值”滑塊以指定電機應換向的通量水平。 TI表示，可以通過觀察GUI上顯示的相電壓和電流波形來驗證最佳換向。

圖3：TI的InstaSPIN-BLDC使用一個免費的GUI來啟用設計工程師為快速電機啟動設置磁通閾值。

與磁通信號不同，低傳感器BLDC電機在較低速度下產生的低反電動勢信號導致較差的信噪比（SNR）性能。該公司聲稱InstaSPIN-BLDC可在低速下實現更平穩的操作，即使在重負載下也能提供更可靠的電機啟動。

TI為其InstaSPIN-BLDC提供培訓模塊。該公司還提供使用DRV8312/32 BLDC電機驅動器的三相BLDC電機套件（DRV8312-C2-KIT）和帶有F28035 controlCARD子系統的Piccolo MCU，以運行無傳感器InstaSPIN-BLDC技術。該公司發布了一份應用報告，詳細說明了如何設置系統。1

設計的靈活性

一些制造商提供沒有集成處理器的驅動芯片，以便熟悉特定MCU的設計人員使用該設備進行監督電路?；蛘?，與上述Fairchild芯片的情況一樣，一些供應商允許設計人員通過添加更強大的外部MCU來覆蓋內部處理器。

傳感器和無傳感器BLDC電機的優勢在于它們越來越多地應用于以前由傳統電機主導的應用。雖然比后者更昂貴，但這種前期費用可以抵消較低的維護成本和BLDC電機的較長壽命。

希望利用這些輕巧，緊湊，功能強大的電機的設計人員會發現，通過引入主要芯片供應商的芯片和設計工具，控制系統設計變得更加容易。還有一些選項可以讓設計師在設計中獲得更大的靈活性，從而增加將最終產品與競爭對手區分開來的機會。

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