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无刷直流马达控制应对新挑战
 

【作者: Rudy Ramos】2019年06月19日 星期三

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简化的磁场导向马达控制演算法可以在价格合理的嵌入式控制器上运作,这种演算法的出现是促成无刷直流(BLDC)马达成功的一个重要因素。在越来越多的应用场景下,BLDC马达现在优於普通的有刷直流和线路供电交流马达,它们的应用范围涵盖工业致动器(actuators)和机床、机器人、电脑和周边设备、以及呼吸器和分析仪等医疗设备、汽车驱动器、鼓风机和泵浦和家用电器等行业。


BLDC马达的优势不仅仅是其更高可靠性,还可减轻与碳刷整流相关的可听杂讯和电气干扰。虽然有刷马达主要采用电压控制,但BLDC仰仗电子式换相(electronic commutation),能够以更高精度管理转子位置、速度和加速度以及马达输出转矩、效率和其他叁数,从而能够满足特定应用之要求。


BLDC控制策略

BLDC马达之控制取决於感测转子位置,该项资料使控制器能够相对於磁场协调转子线圈之供电,以确保马达提供所需的回应,其中包括速度保持、加速、减速、改变方向、减少或增加扭矩、紧急停止或其他动作,具体取决於特定应用和运作条件。


转子位置可以使用位於转子轴上的感测器或编码器直接检测。市面上可提供各种类型编码器,大致可分为相对位置和绝对位置两种类型。也有各种类型的感测技术,例如磁线圈旋转变压器、霍尔效应、光学或电容感测器。根据解析度、牢固性或成本等要求,这些类型感测器中,任何一种都可能适用於特定的应用。


无感测器控制是一种非常实用的替代方案,它利用当下微控制器的运算能力,透过量测每个转子绕组中的反电磁场(back electromagnetic field)来运算转子位置。


由於不再需要编码器,因而可以节省材料清单成本,并简化组装,提高可靠性。磁场导向控制(FOC)可将转子电流分解为d(direct)轴和q(quadrature)轴分量,DC值变化缓慢,能够简化控制挑战,在家用电器和汽车车窗、後视镜或座椅控制等装置中,其最终精度不如成本和可靠性那麽重要,转子位置的无感测器检测在此类应用中非常奏效。


另一层面,当仅产生小的反电磁场时,无感测器控制在低转子速度下效果较差。


控制器和电源模组选择

为了控制BLDC转子相位电流,微控制器首先将应用命令转换为每个线圈的脉冲宽度调变(PWM)切换讯号。这些讯号输入到闸极驱动器,最终控制电源切换(通常是MOSFET),进而向转子线圈提供电流。具有低电流需求的超小型马达可以采用完全整合的马达控制MCU来管理,这种MCU包含内建闸极驱动器和小功率MOSFET。另一方面,更大尺寸、更高功率的马达则需要专用的外部驱动器和MOSFET。


功率MOSFET最常见连接方式是马达和双极电源之间H桥或全桥配置,如图1所示。位於对角位置的上方与下方MOSFET是成对进行控制:即电晶体1与电晶体2配对,电晶体3与电晶体4配对。这样可以使线圈在一个方向或另一个方向上通电,从而驱动马达正向或反向转动。在此配置中,马达或许不可接地,这通常要求使用脉冲变压器或光耦合器将MOSFET驱动器与微控制器实现电隔离。



图1 : H桥配置中的MOSFET可以受控来逆转流经马达线圈之电流,从而实现双向旋转。
图1 : H桥配置中的MOSFET可以受控来逆转流经马达线圈之电流,从而实现双向旋转。

为了选择最适合搭建H桥的MOSFET,设计师必须考量诸如所需的电压和电流额定值、切换速度、切换和传导损耗等叁数。反过来,闸极驱动器必须能够快速对MOSFET闸极电容进行充电和放电,以确保能够快速切换到应用要求的最高频率。


市面上有各式各样针对无刷直流控制应用的微控制器和专用马达控制器,其中之一是Cypress Semiconductor 的PSOC3系列可程式化系统单晶片。如图2所示,PSOC3体系架构为BLDC马达控制提供了一套完整功能。



图2 : PSOC3架构具备丰富的无刷直流控制功能,包含多个PWM功能区块以及监控和通讯功能。
图2 : PSOC3架构具备丰富的无刷直流控制功能,包含多个PWM功能区块以及监控和通讯功能。

用PSOC3晶片搭建马达控制器使开发人员能够获得多功能的片上资源,从而增强系统的弹性和整合度。多达四个片上PWM使单个PSOC3能够同时控制四个马达,或者在多工应用时控制多达八个马达。内建电流侦测使系统能够检测旋转载荷并做出适当回应,并可检测短路或烧坏状况。另外,它还提供脉冲检测,从而简化对转子位置和速度的监控,并允许记忆和预设位置。


整合式电源模组

除了H桥和驱动器之外,PSOC3包含了控制无刷直流马达所需大部分功能元件。为了实现驱动器设计,如图3所示的Microchip MCP8024三相无刷直流电源模组提供了一种方便的解决方案,可以取代离散电路,将PSOC 3产生的脉宽调变讯号连接到MOSFET H桥。



图3 : MPC8024是一款高整合度电源模组,设计用於控制外部MOSFET闸极,从而控制向无刷直流马达供电。(来源: Microchip Technology)。
图3 : MPC8024是一款高整合度电源模组,设计用於控制外部MOSFET闸极,从而控制向无刷直流马达供电。(来源: Microchip Technology)。

MCP8024整合了一些非常重要的功能,包括有三个半桥驱动器(额定电压12V,额定电流0.5A),具有针对高侧和低侧MOSFET的击穿保护和独立输入控制,以及一个为伴随微控制器供电的降压转换器。另外还有三个用於相电流和转子位置侦测的运算放大器,一个过电流比较器,两个电平转换器,以及5V 和12V 20mA LDO稳压器。更多内建保护功能包括欠压和过电压锁定、短路保护和过热关机等。所有这些广泛的功能都整合到一个小巧的40接脚5mm x 5mm QFN 或者48接脚7mm x 7mm TQFP封装。


结论

无刷直流马达已迅速成为首选马达类型,应用范围已经包括从消费性产品、汽车驱动器和致动器、家用电器等对於成本敏感的大众市场,延伸到高阶工业和医疗设备。由於其高可靠性、多功能性、低可听闻噪音和电气杂讯以及易於使用等特性,无刷直流马达能仰仗低成本微控制器或可程式化SoC实现的轻量化磁场导向控制策略即可对其进行控制,无论是否采用转子位置感测器皆可。PSOC3控制器若与合适电源模组和电源开关组合使用,可以同时管理多个马达,并能够整合高阶的马达管理和监控电路。


(本文作者 Rudy Ramos任职於贸泽电子)


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