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由于在很大程度上受物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和汽車電氣化的推動(dòng)，機(jī)械系統(tǒng)加速向電子控制轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)人員正在將低功耗電機(jī)應(yīng)用于從家用電器、門鎖和遙控百葉窗到汽車油泵、座椅、窗戶和門等應(yīng)用中的基本任務(wù)。這些直流電機(jī)的額定功率從小到幾分之一馬力到大到多個(gè)馬力不等，雖幾乎無處不在，但往往卻不為人知。 雖然因?yàn)殡姍C(jī)在不斷改進(jìn)且電機(jī)控制技術(shù)變得更好、更容易使用，而促進(jìn)其快速擴(kuò)展，但設(shè)計(jì)者仍然面臨著提高效率和降低成本的持續(xù)壓力，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)更大的精度和更高的可靠性。 無刷直流 (BLDC) 電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)（另一種無刷直流電機(jī)）的變型可以幫助設(shè)計(jì)者滿足這些日益苛刻的性能和成本目標(biāo)，但必須仔細(xì)考慮電機(jī)控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路�？刂破鞅仨毾螂姍C(jī)的電子驅(qū)動(dòng)開關(guān)（通常是 MOSFET）提供合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并以精心控制的時(shí)序和持續(xù)時(shí)間來完成。它還必須控制電機(jī)上升/下降的軌跡，并能檢測和適應(yīng)電機(jī)或負(fù)載不可避免的軟問題和硬故障。 本文探討了無刷直流電機(jī)的控制 IC 所提供的功能，為讀者提供了一個(gè)關(guān)于無刷直流電機(jī)電氣屬性的整體視角，并解釋了一個(gè)復(fù)雜的控制器如何使用 Renesas RAJ306010 系列電機(jī)控制 IC 讓無刷直流電機(jī)滿足應(yīng)用目標(biāo)。 電機(jī)控制路徑和電機(jī) 從運(yùn)動(dòng)控制軟件到電機(jī)的路徑包括一個(gè)運(yùn)行軟件的處理器、電機(jī)電源開關(guān)設(shè)備的柵極驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)（圖 1）。也可能有一條從電機(jī)的傳感器通過模擬前端回到處理器的路徑，便于提供關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置或速度的信息，以確認(rèn)性能并關(guān)閉反饋回路。 
圖 1：今天的電機(jī)控制始于處理器中作為固件嵌入的軟件，用以控制柵極驅(qū)動(dòng)，而柵極驅(qū)動(dòng)器又將電源切換到電機(jī)的繞組；另外還可能有一個(gè)從電機(jī)回到處理器的傳感器驅(qū)動(dòng)型反饋回路。（圖片來源：Renesas） 設(shè)計(jì)師有兩種領(lǐng)先的直流驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)選擇：BLDC 電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。兩者的功能都是因其內(nèi)部永久磁鐵間的磁互動(dòng)和其電磁線圈的切換而實(shí)現(xiàn)的。選擇使用這兩種電機(jī)中的哪一個(gè)，由它們在預(yù)期應(yīng)用領(lǐng)域的相對優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)決定。 一般來說，BLDC 電機(jī)可靠性高，效率高，并能在一定的速度范圍內(nèi)提供大扭矩。電機(jī)定子兩極依次通電，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子（及其永久磁鐵）轉(zhuǎn)動(dòng)。BLDC 電機(jī)通常在其外圍有三個(gè)電子控制的定子（圖 2）。
圖 2：BLDC 電機(jī)的定子依次通電，使永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。（圖片來源：Renesas） BLDC 電機(jī)的關(guān)鍵屬性包括響應(yīng)性、快速加速、可靠性、長壽命、高速運(yùn)行和高功率密度。它們通常是醫(yī)療設(shè)備、冷卻風(fēng)扇、無繩電動(dòng)工具、轉(zhuǎn)盤和自動(dòng)化設(shè)備等應(yīng)用的選擇。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理與無刷直流電機(jī)類似，只是它的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要小得多，它把一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)劃分成大量的等角步進(jìn)（通常是 128 或 256 步）。電機(jī)轉(zhuǎn)子不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是依次驅(qū)動(dòng)它走過或踏過那些小角度的臺(tái)階（圖 3）。這使得轉(zhuǎn)子能夠準(zhǔn)確定位，因?yàn)樗c通電的定子磁極產(chǎn)生的磁場同步。
圖 3：步進(jìn)運(yùn)動(dòng)有大量定子磁極，這些磁極圍繞其轉(zhuǎn)子及其永久磁鐵排列；通過按控制順序給這些磁極通電，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并完成小角度步進(jìn)。（圖片來源：Renesas） 步進(jìn)電機(jī)是可靠的、精確的，并提供快速的加速和反應(yīng)能力。由于其步進(jìn)操作和電機(jī)結(jié)構(gòu)、開環(huán)控制以及定位穩(wěn)定性，通常足以滿足精密應(yīng)用要求，如 CD 驅(qū)動(dòng)器、平板掃描儀、打印機(jī)和繪圖儀。高級應(yīng)用可以增加一個(gè)反饋傳感器和閉環(huán)控制，以獲得更高的精度和性能確認(rèn)。 BLDC 電機(jī)控制選項(xiàng) 對于交流感應(yīng)電機(jī)或有刷直流電機(jī)來說，速度和扭矩控制的主要手段是通過調(diào)整電源電壓來實(shí)現(xiàn)的，而無刷直流電機(jī)與之不同，則是通過對功率開關(guān) MOSFET 的開啟和關(guān)閉的精心定時(shí)來控制的。這使得電機(jī)能夠有效和準(zhǔn)確地處理各種任務(wù)。 這些任務(wù)要求的范圍包括：提供移動(dòng)大量空氣所需的高轉(zhuǎn)數(shù) (RPM)，以提供無繩真空吸塵器的吸力，以及必須具有高啟動(dòng)扭矩的電動(dòng)工具，特別是當(dāng)電機(jī)相對其負(fù)載而停滯時(shí)。在許多應(yīng)用中，電機(jī)還必須能夠處理巨大的負(fù)載變化，這就要求快速響應(yīng)，以保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。 控制無刷直流電機(jī)的常見策略有：基本 120⁰ 開/關(guān)控制和矢量控制。在 120⁰ 開/關(guān)控制中，無刷直流電機(jī)三個(gè)線圈中的兩個(gè)通電，六個(gè)通電模式按旋轉(zhuǎn)順序切換，以支持任何方向的旋轉(zhuǎn)（圖 4）。
圖 4：無刷直流電機(jī)的定子磁極（左）可以按順時(shí)針或逆時(shí)針的順序通電（右），從而根據(jù)應(yīng)用的需要驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子以任何方向旋轉(zhuǎn)。（圖片來源：Renesas） 在這種模式下，定子線圈以開/關(guān)電流（方波）方式通電，當(dāng)電機(jī)升速、保持速度并在線圈斷電后降速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生梯形加速曲線。這種方法的好處是內(nèi)在的簡單性和直接操作能力。 然而，它很容易隨著負(fù)載和其他變化而出現(xiàn)性能波動(dòng)，而且對于某些應(yīng)用來說，精度和效率都不夠高。電機(jī)控制器中的復(fù)雜算法可以通過調(diào)整 MOSFET 的開/關(guān)時(shí)間，以及使用比例積分導(dǎo)數(shù) (PID) 或比例積分 (PI) 控制，在一定程度上克服這些缺點(diǎn)。 有一個(gè)已經(jīng)變得越來越有吸引力的替代方案就是矢量控制，亦稱磁場定向控制 (FOC)。在這種方法中，所有三個(gè)線圈都通過連續(xù)控制旋轉(zhuǎn)磁場來通電，與 120 度控制相比，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。FOC 現(xiàn)已發(fā)展到用于許多大眾市場產(chǎn)品，如洗衣機(jī)。 在 FOC 中，每個(gè)定子線圈的電流是通過先進(jìn)的算法測量和控制的，這需要復(fù)雜的數(shù)字處理。該算法還必須不斷地將三相交流值轉(zhuǎn)化為兩相直流值（這一過程稱為坐標(biāo)相位轉(zhuǎn)換），簡化了后續(xù)控制所需的等式和計(jì)算（圖 5）。如果操作得當(dāng)，F(xiàn)OC 產(chǎn)生就是高度精確和有效的控制。
圖 5：FOC 算法的一部分需要坐標(biāo)相位轉(zhuǎn)換來簡化復(fù)雜的數(shù)字處理計(jì)算。（圖片來源：Renesas） 用于反饋的傳感器選項(xiàng) 無刷直流電機(jī)可以在沒有反饋信號(hào)的開環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行控制，也可以通過閉環(huán)算法，由電機(jī)上的傳感器進(jìn)行反饋。這個(gè)決定取決于應(yīng)用的精度、可靠性和安全考慮因素。 增加一個(gè)反饋傳感器會(huì)增加成本和算法的復(fù)雜性，但會(huì)增加對計(jì)算的信心，因此在許多應(yīng)用中是必不可少的。根據(jù)不同的應(yīng)用，主要關(guān)注的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是轉(zhuǎn)子的位置或速度。這兩個(gè)因素密切相關(guān)：速度是位置的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，而位置是速度的時(shí)間積分。 實(shí)際上，幾乎所有的反饋傳感器都指示位置，控制器可以直接使用它們的信號(hào)或開發(fā)衍生信息來確定速度。在更簡單的情況下，反饋傳感器的主要作用是作為基本電機(jī)性能的安全相關(guān)檢查或作為失速指標(biāo)，而不是用于閉環(huán)控制。 常用反饋傳感器有四種類型：霍爾效應(yīng)裝置、光學(xué)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和電感式傳感器（圖 6）。每一種都提供不同的性能屬性、分辨率和成本。
圖 6：如果用戶的系統(tǒng)需要一個(gè)電機(jī)反饋信號(hào)，他們就有廣泛的傳感器選擇，從霍爾效應(yīng)裝置到編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)傳感器。（圖片來源：Renesas） 霍爾效應(yīng)裝置通常被認(rèn)為是最簡單和最容易安裝的，而且在許多情況下是足夠用的。光學(xué)編碼器有一系列的分辨率，從低到中等水平，但有安裝方面的挑戰(zhàn)，而且可能有一些長期可靠性問題。旋轉(zhuǎn)變壓器和電感式傳感器尺寸更大、更重、更昂貴，并有一些接口方面的挑戰(zhàn)，但能提供非常高的分辨率和長期性能。 電流的提供 無論是 BLDC 還是步進(jìn)電機(jī)，無刷電機(jī)的磁極都是電磁“線圈”，因此必須由電流而非電壓驅(qū)動(dòng)。為了正確地給這些磁極通電，電機(jī)控制系統(tǒng)必須通過開/關(guān)切換（大多數(shù)情況下是 MOSFET）來提供這種電流，并具有準(zhǔn)確的定時(shí)、脈沖寬度和受控的壓擺率，以正確和有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)安排還必須保護(hù) MOSFET 免受各種故障條件的影響，如電機(jī)停轉(zhuǎn)、電流需求過大、熱過載和短路。 對于相對較小的電機(jī)，通常需要低于 500 毫安 (mA) 至 1 安培 (A) 的電流，可以將 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器甚至 MOSFET 嵌入到電機(jī)控制 IC 封裝中，以保持盡可能小的封裝尺寸。雖然這很方便，并簡化了設(shè)計(jì)導(dǎo)入，但在許多情況下，這并不是一個(gè)實(shí)用的選擇，原因有多個(gè)： · 高性能 MOSFET 的半導(dǎo)體工藝與用于控制器數(shù)字邏輯的半導(dǎo)體工藝非常不同，因此組合的最終設(shè)計(jì)是一種妥協(xié)（但可能是可以接受的）。 · MOSFET 的功率耗散和熱管理在很大程度上是由應(yīng)用功率需求決定的。隨著電流和功率水平的增加，片上 MOSFET 的耗散和產(chǎn)生的熱量很快就會(huì)超過封裝的限制。在這些情況下，將數(shù)字和電源功能分開才是更好的解決方案，讓設(shè)計(jì)者能夠優(yōu)化 MOSFET 的放置和熱管理。 · 最后，隨著電機(jī)所需電流水平的增加，電機(jī)電源導(dǎo)線中的 IR 驅(qū)動(dòng)電壓降的增加會(huì)成為一個(gè)問題。因此，建議將開關(guān)設(shè)備放在離負(fù)載更近的地方。 · 由于這些原因，許多電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制 IC 包括了所有需要的功能，除了功率 MOSFET。多 MOSFET 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常被稱為逆變器功能。使用分立 MOSFET 能夠讓設(shè)計(jì)者靈活地選擇具有合適規(guī)格組合的器件，如負(fù)載電流、“導(dǎo)通”電阻、封裝類型和開關(guān)特性等因素。 復(fù)雜 IC 應(yīng)對電機(jī)控制挑戰(zhàn) 在過去，先進(jìn)的電機(jī)控制需要一個(gè) IC 組件。通常情況下，這可能涉及到一個(gè)低端的處理器來發(fā)出通用指令，并有一個(gè)專門的數(shù)字協(xié)處理器來實(shí)現(xiàn)必要的算法，或者一個(gè)高端的處理器來同時(shí)做這兩件事，另外還有用于功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電路。這不僅需要更大的印刷電路板面積和更長的物料清單 (BOM)，而且經(jīng)常會(huì)有系統(tǒng)集成和相關(guān)的調(diào)試問題。 然而，今天的電機(jī)控制 IC 可以在一個(gè)器件中完成這所有一切，如 Renesas RAJ306010（圖 7）所示。在 RAJ306010 內(nèi)有許多功能塊，專門針對電機(jī)控制設(shè)計(jì)的獨(dú)特需求。
圖 7：Renesas RAJ306010 IC 具有高度先進(jìn)的電機(jī)控制所需的功能（功率 MOSFET 除外），因此比多 IC 解決方案占用的空間更少，同時(shí)簡化了 BOM 和設(shè)計(jì)集成。（圖片來源：Renesas） 這款通用的電機(jī)控制 IC 旨在用于三相無刷直流電機(jī)應(yīng)用。它在一個(gè)微小的 8×8 毫米 (mm)、64 引腳的 QFN 封裝中結(jié)合并緊密集成了兩個(gè)不同的角色：數(shù)字控制器功能和大部分模擬預(yù)驅(qū)動(dòng)器功能。它在 6 至 24 伏的電壓下運(yùn)行，目標(biāo)針對獨(dú)立、基本自主的應(yīng)用，如電動(dòng)工具、園藝工具、吸塵器、打印機(jī)、風(fēng)扇、泵和機(jī)器人。（注意，另一個(gè)幾乎相同的器件 RAJ306001 是一個(gè) 6 至 30 伏的版本，與 RAJ306010 共用相同的規(guī)格書。） 在數(shù)字方面，RAJ306010 集成了一個(gè) 16 位微控制器（Renesas 的 RL78/G1F 級），有 64KB 的閃存、4KB 的數(shù)據(jù)閃存和 5.5KB 的 RAM 支持。此外，還有大量的數(shù)字 I/O：通用 I/O (GPIO)、SPI、I2C 和一個(gè) UART。另還有一個(gè)九通道、10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，以將模擬信號(hào)引入該器件。 為了使用 RAJ306010，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者將所需的操作參數(shù)加載到相應(yīng)的閃存控制寄存器中，以建立所需的操作模式和條件。從一個(gè)典型應(yīng)用高級系統(tǒng)框圖（圖 8）中可以看出，該集成電路在上電時(shí)就可以發(fā)揮作用，而不需要任何額外的微控制器。
圖 8：這個(gè)使用 RAJ306001 的基本應(yīng)用高級系統(tǒng)框圖顯示了高集成水平是如何將對額外分立元件的需求降到最低的。（圖片來源：Renesas） RAJ306010 的模擬側(cè)具有三個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)峰值電流可調(diào)，最高可達(dá) 500 毫安，有一個(gè)自調(diào)整死區(qū)時(shí)間發(fā)生器功能，以防止橋“擊穿”和損壞，另外還有一個(gè)電流感應(yīng)放大器和一個(gè)反電動(dòng)勢放大器。一個(gè)集成的充電泵將所提供的柵極驅(qū)動(dòng)電壓從一個(gè)較低電壓源電壓提升到 13 伏。 對霍爾效應(yīng)傳感器有直接的支持，模擬前端 (AFE) 也可用于支持其他類型的反饋傳感器。與任何設(shè)計(jì)合理的電機(jī)控制一樣，其功能包括過熱保護(hù)、過/欠電壓鎖定 (UVLO)、過流檢測和對電機(jī)鎖定條件的保護(hù)。 圖 9 中的例子展示了 RAJ306010 如何輕松處理一個(gè)基本的獨(dú)立應(yīng)用，如 24 伏的無繩攪拌機(jī)，盡管它幾乎可以是任何類似的小家電。請注意，大部分的電路都用于給八芯電池組充電和管理，而電機(jī)控制只需要控制 IC、外部三相橋接器（逆變器）、反饋電壓感應(yīng)電路（通過電流檢測電阻器）和用戶的“啟動(dòng)”按鈕。
圖 9：RAJ306010 的高級功能集成清楚地表明，基本家電的核心電機(jī)控制功能（如這種電池供電的攪拌器）所需的額外電路和額外元件是多么少。（圖片來源：Renesas） BLDC 電機(jī)控制上手體驗(yàn) 在紙上或在 PC 上使用整個(gè)系統(tǒng)的各種模型來計(jì)劃、模擬、評估和調(diào)整一個(gè)電機(jī)控制應(yīng)用是一回事。而運(yùn)行一個(gè)實(shí)際的電機(jī)，并使用真實(shí)的組件、真實(shí)的負(fù)載和真實(shí)的動(dòng)力來測試性能，以及了解設(shè)置初始啟動(dòng)條件和各種性能參數(shù)變化的影響則是另一回事。 這就是 Renesas RTK0EML2C0S01020BJ 電機(jī)控制評估系統(tǒng)（圖 10）成為設(shè)計(jì)工程師重要資產(chǎn)的原因，同時(shí)該系統(tǒng)還配套了 Renesas Motor Workbench 以方便調(diào)試。這個(gè)軟件工具能夠讓設(shè)計(jì)者熟悉 RAJ306010 的操作、其輸入和輸出模式以及其各種控制寄存器的功能。
圖 10：該板是 Renesas RTK0EML2C0S01020BJ 電機(jī)控制評估系統(tǒng)的核心，當(dāng)與 Renesas Motor Workbench 軟件一起使用時(shí)，可加快參數(shù)的微調(diào)和使用 RAJ306010 電機(jī)控制 IC 時(shí)對電機(jī)性能的評估。（圖片來源：Renesas） 為了更快地進(jìn)入產(chǎn)品開發(fā)階段，該評估系統(tǒng)包括了一個(gè) 24 伏/420 mA 的 BLDC 電機(jī)，空載速度為 3900 RPM，額定扭矩為 19.6 毫牛頓•米 (mN-m)（相當(dāng)于 200 克力•厘米）。此外，Renesas 還提供了用于無傳感器和基于傳感器的控制的樣本軟件控制程序。 結(jié)語 設(shè)計(jì)人員考慮在其系統(tǒng)中使用直流電機(jī)時(shí)，除了傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)外，還有許多選擇。高性能、高性價(jià)比 BLDC 電機(jī)可在小型封裝中用于實(shí)現(xiàn)大功率和高精度要求。為了充分實(shí)現(xiàn)這些無刷直流電機(jī)的潛力，人們開發(fā)出了智能控制器，它能夠使用用戶所需的參數(shù)實(shí)現(xiàn)所需的算法。這些器件還能為電機(jī)的開關(guān) MOSFET 和其他模擬 I/O 提供必要的驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)完整的電機(jī)控制解決方案。 如上所述，像 Renesas RAJ306010 這樣的 IC，在開發(fā)套件和軟件的支持下，大大簡化了為家電、汽車座椅和窗戶以及以及其他許多現(xiàn)在常見的應(yīng)用提供高性能、小尺寸和高效電機(jī)控制的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。 來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber |
