無刷直流 （BLDC） 電機(jī)正迅速成為要求高可靠性、高效率和高功率體積比應(yīng)用 的自然選擇。這些電機(jī)在很寬的速度范圍內(nèi)提供大量扭矩，并具有與有刷電機(jī)相似的扭矩和速度性能曲線特征（盡管有刷電機(jī)在靜止時提供更大的扭矩）。

　　BLDC 電機(jī)由于消除了傳統(tǒng)直流電機(jī)中用于換向的電刷而獲得了顯著的可靠性。刷子磨損，降低了電機(jī)的性能，最終不得不更換。相比之下，在額定參數(shù)內(nèi)運行時，BLDC 電機(jī)的預(yù)期壽命可超過 10，000 小時或更長。與傳統(tǒng)裝置相比，這種壽命以及隨之而來的維護(hù)和備件成本的降低足以抵消電機(jī)較高的初始成本。

　　BLDC 電機(jī)現(xiàn)在正在進(jìn)入最具成本意識的應(yīng)用。例如，在汽車領(lǐng)域，BLDC 電機(jī)的使用量猛增。汽車制造商尤其被電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功方面的效率所吸引，這有助于降低對車輛動力系統(tǒng)的需求（圖 1）。根據(jù)分析師 IMS 的研究，到 2018 年，6 億臺 BLDC 電機(jī)將用于內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的輕型汽車，而 2011 年為 2 億臺。（更大版本的 BLDC 電機(jī)已經(jīng)在電動和混合動力汽車中普遍使用。）

　　BLDC 電機(jī)，就像水泵中使用的這個單元一樣，正在取代汽車應(yīng)用中的傳統(tǒng)電機(jī)（由 Melexis 提供）。

　　對 BLDC 電機(jī)的這種興趣促使硅供應(yīng)商為單元的電子控制系統(tǒng)開發(fā)定制的單片芯片。本文詳細(xì)介紹了 BLDC 電機(jī)控制芯片——這些器件既用于驅(qū)動逆變橋，最終為電機(jī)線圈供電，又用于控制速度和方向等參數(shù)。

　　減少霍爾傳感器故障

　　Fairchild Semiconductor在 BLDC 電機(jī)控制方面有著悠久的歷史，隨著最近推出的FCM8201芯片的推出而延續(xù)。該器件專為感應(yīng)式 BLDC 電機(jī)控制而設(shè)計。（感應(yīng)電機(jī)需要霍爾效應(yīng)傳感器來指示線圈位置以幫助電子換向順序）。

　　FCM8201 的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步在于其脈寬調(diào)制 （PWM） 模式的選擇。有兩種 PWM 模式可用：正弦波模式和方波模式。方波模式包括提高電機(jī)驅(qū)動效率的 PWM-PWM 和 PWM-ON 技術(shù)。

　　Fairchild 解釋說，該器件還集成了一個內(nèi)置霍爾信號調(diào)節(jié)電路，可為每個傳感器信號輸入生成 3 到 6 μs 的“去抖動”時間。該電路減少了霍爾傳感器信號轉(zhuǎn)換緩慢時可能發(fā)生的毛刺和后續(xù)錯誤。

　　FCM8201 可以在沒有外部微控制器 （MCU） 的情況下以獨立配置使用，或者如果設(shè)計人員想要添加超出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備支持的更多電機(jī)控制功能，則可以通過串行外圍接口 （SPI） 接口連接外部 MCU 。 圖 2 顯示了 FCM8201 的典型獨立應(yīng)用電路。只需幾個外圍元件即可完成一個 BLDC 電機(jī)控制電路。

　　圖 ：Fairchild FCM8201 BLDC 電機(jī)控制器的典型獨立應(yīng)用電路。

　　使用電機(jī)磁通的無傳感器控制

　　無傳感器 BLDC 電機(jī)取消了霍爾傳感器，而是依靠電機(jī)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反電動勢的大小來估計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(shù)，因為它簡化了電機(jī)的機(jī)械設(shè)計，但一個缺點是在電機(jī)靜止時不會產(chǎn)生反電動勢，而在電機(jī)低速運行時則很少產(chǎn)生反電動勢。這使得控制器難以確定線圈的位置。德州儀器 （ Texas Instruments

　　） 針對低成本 BLDC 裝置（TI） 推出了其 InstaSPIN-BLDC 電機(jī)控制技術(shù)來解決這個問題。該公司表示，InstaSPIN-BLDC 是一種無傳感器控制技術(shù)，在對 50 多種不同電機(jī)類型的現(xiàn)場測試中，能夠在不到 20 秒的時間內(nèi)啟動并運行每個電機(jī)。簡而言之，TI 將 InstaSPIN-BLDC 描述為一種在三相 BLDC 電機(jī)上執(zhí)行無傳感器換向的軟件方法。據(jù)該公司稱，其優(yōu)勢包括電機(jī)調(diào)試非常快、即使在低速時也能進(jìn)行穩(wěn)健的控制，以及通過速度擾動的卓越能力。

　　與其他基于反電動勢過零時序的無傳感器 BLDC 控制技術(shù)不同，InstaSPIN-BLDC 監(jiān)控電機(jī)的磁通以確定何時對電機(jī)進(jìn)行換向。借助免費的圖形用戶界面 （GUI）（圖 3），用戶可以在繪圖窗口中確定磁通信號，并設(shè)置“磁通閾值”滑塊以指定電機(jī)應(yīng)換向的磁通水平。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 ：TI 的 InstaSPIN-BLDC 使用免費的 GUI，使設(shè)計工程師能夠設(shè)置磁通閾值以實現(xiàn)快速電機(jī)啟動。

　　與磁通信號不同，來自低速無傳感器 BLDC 電機(jī)的低反電動勢信號會導(dǎo)致較差的信噪比 （SNR） 性能。該公司聲稱 InstaSPIN-BLDC 能夠在低速下實現(xiàn)更平穩(wěn)的運行，并提供更可靠的電機(jī)啟動，即使在重負(fù)載下也是如此。

　　TI 為其InstaSPIN-BLDC提供了一個培訓(xùn)模塊。該公司還提供其三相 BLDC 電機(jī)套件（DRV8312-C2-KIT），該套件使用 DRV8312/32 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器和帶有 F28035 controlCARD 子系統(tǒng)的Piccolo MCU來運行無傳感器 InstaSPIN-BLDC 技術(shù)。該公司發(fā)布了一份應(yīng)用報告，詳細(xì)介紹了如何設(shè)置系統(tǒng)。1

　　設(shè)計靈活性

　　一些制造商提供不帶集成處理器的驅(qū)動芯片，以允許熟悉特定 MCU 的設(shè)計人員使用該設(shè)備來監(jiān)督電路。或者，如上述 Fairchild 芯片的情況，一些供應(yīng)商允許設(shè)計人員通過添加功能更強(qiáng)大的外部 MCU 來覆蓋內(nèi)部處理器。

　　有傳感器和無傳感器 BLDC 電機(jī)的優(yōu)勢使它們越來越多地進(jìn)入以前由傳統(tǒng)電機(jī)主導(dǎo)的應(yīng)用。雖然比后者更昂貴，但這筆前期費用可以抵消 BLDC 電機(jī)較低的維護(hù)成本和較長的使用壽命。

　　希望利用這些輕巧、緊湊且功能強(qiáng)大的電機(jī)的設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)，隨著主要芯片供應(yīng)商的芯片和設(shè)計工具的引入，控制系統(tǒng)設(shè)計變得更加容易。還有一些選項可以讓設(shè)計師在其設(shè)計中獲得更大的靈活性，從而增加將最終產(chǎn)品與競爭對手區(qū)分開來的機(jī)會。

　　參考：

　　“ InstaSPIN? BLDC 實驗室”，德州儀器，應(yīng)用報告 SPRABN7，2011 年 11 月。