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由于在很大程度上受物聯網 （IoT） 和汽車電氣化的推動，機械系統加速向電子控制轉變，設計人員正在將低功耗電機應用于從家用電器、門鎖和遙控百葉窗到汽車油泵、座椅、窗戶和門等應用中的基本任務。這些直流電機的額定功率從小到幾分之一馬力到大到多個馬力不等，雖幾乎無處不在，但往往卻不為人知。
雖然因為電機在不斷改進且電機控制技術變得更好、更容易使用，而促進其快速擴展，但設計者仍然面臨著提高效率和降低成本的持續壓力，同時也要實現更大的精度和更高的可靠性。
無刷直流 （BLDC） 電機和步進電機（另一種無刷直流電機）的變型可以幫助設計者滿足這些日益苛刻的性能和成本目標，但必須仔細考慮電機控制器和電機驅動電路。控制器必須向電機的電子驅動開關（通常是 MOSFET）提供合適的驅動信號，并以精心控制的時序和持續時間來完成。它還必須控制電機上升/下降的軌跡，并能檢測和適應電機或負載不可避免的軟問題和硬故障。
本文探討了無刷直流電機的控制 IC 所提供的功能，為讀者提供了一個關于無刷直流電機電氣屬性的整體視角，并解釋了一個復雜的控制器如何使用 Renesas RAJ306010 系列電機控制 IC 讓無刷直流電機滿足應用目標。
電機控制路徑和電機
從運動控制軟件到電機的路徑包括一個運行軟件的處理器、電機電源開關設備的柵極驅動器和電機（圖 1）。也可能有一條從電機的傳感器通過模擬前端回到處理器的路徑，便于提供關于電機轉子的位置或速度的信息，以確認性能并關閉反饋回路。
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圖 1：今天的電機控制始于處理器中作為固件嵌入的軟件，用以控制柵極驅動，而柵極驅動器又將電源切換到電機的繞組；另外還可能有一個從電機回到處理器的傳感器驅動型反饋回路。（圖片來源：Renesas）
設計師有兩種領先的直流驅動無刷電機選擇：BLDC 電機和步進電機。兩者的功能都是因其內部永久磁鐵間的磁互動和其電磁線圈的切換而實現的。選擇使用這兩種電機中的哪一個，由它們在預期應用領域的相對優點和缺點決定。
一般來說，BLDC 電機可靠性高，效率高，并能在一定的速度范圍內提供大扭矩。電機定子兩極依次通電，導致轉子（及其永久磁鐵）轉動。BLDC 電機通常在其外圍有三個電子控制的定子（圖 2）。
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圖 2：BLDC 電機的定子依次通電，使永磁轉子轉動。（圖片來源：Renesas）
BLDC 電機的關鍵屬性包括響應性、快速加速、可靠性、長壽命、高速運行和高功率密度。它們通常是醫療設備、冷卻風扇、無繩電動工具、轉盤和自動化設備等應用的選擇。
步進電機的工作原理與無刷直流電機類似，只是它的旋轉運動要小得多，它把一個完整的旋轉劃分成大量的等角步進（通常是 128 或 256 步）。電機轉子不是連續旋轉，而是依次驅動它走過或踏過那些小角度的臺階（圖 3）。這使得轉子能夠準確定位，因為它與通電的定子磁極產生的磁場同步。
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圖 3：步進運動有大量定子磁極，這些磁極圍繞其轉子及其永久磁鐵排列；通過按控制順序給這些磁極通電，使轉子轉動并完成小角度步進。（圖片來源：Renesas）
步進電機是可靠的、精確的，并提供快速的加速和反應能力。由于其步進操作和電機結構、開環控制以及定位穩定性，通常足以滿足精密應用要求，如 CD 驅動器、平板掃描儀、打印機和繪圖儀。高級應用可以增加一個反饋傳感器和閉環控制，以獲得更高的精度和性能確認。
BLDC 電機控制選項
對于交流感應電機或有刷直流電機來說，速度和扭矩控制的主要手段是通過調整電源電壓來實現的，而無刷直流電機與之不同，則是通過對功率開關 MOSFET 的開啟和關閉的精心定時來控制的。這使得電機能夠有效和準確地處理各種任務。
這些任務要求的范圍包括：提供移動大量空氣所需的高轉數 （RPM），以提供無繩真空吸塵器的吸力，以及必須具有高啟動扭矩的電動工具，特別是當電機相對其負載而停滯時。在許多應用中，電機還必須能夠處理巨大的負載變化，這就要求快速響應，以保持穩定的轉速。
控制無刷直流電機的常見策略有：基本 120? 開/關控制和矢量控制。在 120? 開/關控制中，無刷直流電機三個線圈中的兩個通電，六個通電模式按旋轉順序切換，以支持任何方向的旋轉（圖 4）。
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圖 4：無刷直流電機的定子磁極（左）可以按順時針或逆時針的順序通電（右），從而根據應用的需要驅動轉子以任何方向旋轉。（圖片來源：Renesas）
在這種模式下，定子線圈以開/關電流（方波）方式通電，當電機升速、保持速度并在線圈斷電后降速時，會產生梯形加速曲線。這種方法的好處是內在的簡單性和直接操作能力。
然而，它很容易隨著負載和其他變化而出現性能波動，而且對于某些應用來說，精度和效率都不夠高。電機控制器中的復雜算法可以通過調整 MOSFET 的開/關時間，以及使用比例積分導數 （PID） 或比例積分 （PI） 控制，在一定程度上克服這些缺點。
有一個已經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，所有三個線圈都通過連續控制旋轉磁場來通電，與 120 度控制相比，運動更加平穩。FOC 現已發展到用于許多大眾市場產品，如洗衣機。
在 FOC 中，每個定子線圈的電流是通過先進的算法測量和控制的，這需要復雜的數字處理。該算法還必須不斷地將三相交流值轉化為兩相直流值（這一過程稱為坐標相位轉換），簡化了后續控制所需的等式和計算（圖 5）。如果操作得當，FOC 產生就是高度精確和有效的控制。
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圖 5：FOC 算法的一部分需要坐標相位轉換來簡化復雜的數字處理計算。（圖片來源：Renesas）
用于反饋的傳感器選項
無刷直流電機可以在沒有反饋信號的開環拓撲結構中進行控制，也可以通過閉環算法，由電機上的傳感器進行反饋。這個決定取決于應用的精度、可靠性和安全考慮因素。
增加一個反饋傳感器會增加成本和算法的復雜性，但會增加對計算的信心，因此在許多應用中是必不可少的。根據不同的應用，主要關注的運動參數是轉子的位置或速度。這兩個因素密切相關：速度是位置的時間導數，而位置是速度的時間積分。
實際上，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或開發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性能的安全相關檢查或作為失速指標，而不是用于閉環控制。
常用反饋傳感器有四種類型：霍爾效應裝置、光學編碼器、旋轉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。
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圖 6：如果用戶的系統需要一個電機反饋信號，他們就有廣泛的傳感器選擇，從霍爾效應裝置到編碼器、旋轉變壓器和感應傳感器。（圖片來源：Renesas）
霍爾效應裝置通常被認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，而且可能有一些長期可靠性問題。旋轉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，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 還是步進電機，無刷電機的磁極都是電磁“線圈”，因此必須由電流而非電壓驅動。為了正確地給這些磁極通電，電機控制系統必須通過開/關切換（大多數情況下是 MOSFET）來提供這種電流，并具有準確的定時、脈沖寬度和受控的壓擺率，以正確和有效地驅動電機。驅動安排還必須保護 MOSFET 免受各種故障條件的影響，如電機停轉、電流需求過大、熱過載和短路。
對于相對較小的電機，通常需要低于 500 毫安 （mA） 至 1 安培 （A） 的電流，可以將 MOSFET 柵極驅動器甚至 MOSFET 嵌入到電機控制 IC 封裝中，以保持盡可能小的封裝尺寸。雖然這很方便，并簡化了設計導入，但在許多情況下，這并不是一個實用的選擇，原因有多個：
高性能 MOSFET 的半導體工藝與用于控制器數字邏輯的半導體工藝非常不同，因此組合的最終設計是一種妥協（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 的耗散和產生的熱量很快就會超過封裝的限制。在這些情況下，將數字和電源功能分開才是更好的解決方案，讓設計者能夠優化 MOSFET 的放置和熱管理。
最后，隨著電機所需電流水平的增加，電機電源導線中的 IR 驅動電壓降的增加會成為一個問題。因此，建議將開關設備放在離負載更近的地方。
由于這些原因，許多電機和運動控制 IC 包括了所有需要的功能，除了功率 MOSFET。多 MOSFET 的拓撲結構通常被稱為逆變器功能。使用分立 MOSFET 能夠讓設計者靈活地選擇具有合適規格組合的器件，如負載電流、“導通”電阻、封裝類型和開關特性等因素。
復雜 IC 應對電機控制挑戰
在過去，先進的電機控制需要一個 IC 組件。通常情況下，這可能涉及到一個低端的處理器來發出通用指令，并有一個專門的數字協處理器來實現必要的算法，或者一個高端的處理器來同時做這兩件事，另外還有用于功率器件的柵極驅動電路。這不僅需要更大的印刷電路板面積和更長的物料清單 （BOM），而且經常會有系統集成和相關的調試問題。
然而，今天的電機控制 IC 可以在一個器件中完成這所有一切，如 Renesas RAJ306010（圖 7）所示。在 RAJ306010 內有許多功能塊，專門針對電機控制設計的獨特需求。
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圖 7：Renesas RAJ306010 IC 具有高度先進的電機控制所需的功能（功率 MOSFET 除外），因此比多 IC 解決方案占用的空間更少，同時簡化了 BOM 和設計集成。（圖片來源：Renesas）
這款通用的電機控制 IC 旨在用于三相無刷直流電機應用。它在一個微小的 8×8 毫米 （mm）、64 引腳的 QFN 封裝中結合并緊密集成了兩個不同的角色：數字控制器功能和大部分模擬預驅動器功能。它在 6 至 24 伏的電壓下運行，目標針對獨立、基本自主的應用，如電動工具、園藝工具、吸塵器、打印機、風扇、泵和機器人。（注意，另一個幾乎相同的器件 RAJ306001 是一個 6 至 30 伏的版本，與 RAJ306010 共用相同的規格書。）
在數字方面，RAJ306010 集成了一個 16 位微控制器（Renesas 的 RL78/G1F 級），有 64KB 的閃存、4KB 的數據閃存和 5.5KB 的 RAM 支持。此外，還有大量的數字 I/O：通用 I/O （GPIO）、SPI、I2C 和一個 UART。另還有一個九通道、10 位模數轉換器 （ADC），以將模擬信號引入該器件。
為了使用 RAJ306010，系統設計者將所需的操作參數加載到相應的閃存控制寄存器中，以建立所需的操作模式和條件。從一個典型應用高級系統框圖（圖 8）中可以看出，該集成電路在上電時就可以發揮作用，而不需要任何額外的微控制器。
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圖 8：這個使用 RAJ306001 的基本應用高級系統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 的模擬側具有三個半橋柵極驅動器，柵極驅動峰值電流可調，最高可達 500 毫安，有一個自調整死區時間發生器功能，以防止橋“擊穿”和損壞，另外還有一個電流感應放大器和一個反電動勢放大器。一個集成的充電泵將所提供的柵極驅動電壓從一個較低電壓源電壓提升到 13 伏。
對霍爾效應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。與任何設計合理的電機控制一樣，其功能包括過熱保護、過/欠電壓鎖定 （UVLO）、過流檢測和對電機鎖定條件的保護。
圖 9 中的例子展示了 RAJ306010 如何輕松處理一個基本的獨立應用，如 24 伏的無繩攪拌機，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，而電機控制只需要控制 IC、外部三相橋接器（逆變器）、反饋電壓感應電路（通過電流檢測電阻器）和用戶的“啟動”按鈕。
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圖 9：RAJ306010 的高級功能集成清楚地表明，基本家電的核心電機控制功能（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 電機控制上手體驗
在紙上或在 PC 上使用整個系統的各種模型來計劃、模擬、評估和調整一個電機控制應用是一回事。而運行一個實際的電機，并使用真實的組件、真實的負載和真實的動力來測試性能，以及了解設置初始啟動條件和各種性能參數變化的影響則是另一回事。
這就是 Renesas RTK0EML2C0S01020BJ 電機控制評估系統（圖 10）成為設計工程師重要資產的原因，同時該系統還配套了 Renesas Motor Workbench 以方便調試。這個軟件工具能夠讓設計者熟悉 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。
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圖 10：該板是 Renesas RTK0EML2C0S01020BJ 電機控制評估系統的核心，當與 Renesas Motor Workbench 軟件一起使用時，可加快參數的微調和使用 RAJ306010 電機控制 IC 時對電機性能的評估。（圖片來源：Renesas）
為了更快地進入產品開發階段，該評估系統包括了一個 24 伏/420 mA 的 BLDC 電機，空載速度為 3900 RPM，額定扭矩為 19.6 毫牛頓?米 （mN-m）（相當于 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。
結語
設計人員考慮在其系統中使用直流電機時，除了傳統的有刷直流電機外，還有許多選擇。高性能、高性價比 BLDC 電機可在小型封裝中用于實現大功率和高精度要求。為了充分實現這些無刷直流電機的潛力，人們開發出了智能控制器，它能夠使用用戶所需的參數實現所需的算法。這些器件還能為電機的開關 MOSFET 和其他模擬 I/O 提供必要的驅動，可實現完整的電機控制解決方案。
如上所述，像 Renesas RAJ306010 這樣的 IC，在開發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在常見的應用提供高性能、小尺寸和高效電機控制的設計挑戰。
參考文獻
BLDC Motor Control Algorithms
RTK0EML2C0S01020BJ BLDC Motor Control Evaluation System for RAJ3060xx Motor Control ICs
Application Note R01AN3786EJ0102， “Sensorless Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor （Algorithm）”
Portable Power Tools Solution
24V Cordless Blender
Motor Solutions： User-Friendly Motor Control Development Environment to Shorten Time to Market
工商網監
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