1 應(yīng)用簡報

引言

無刷直流 (BLDC) 電機仍然是一種重要且應(yīng)用日趨廣泛的電機類型，與有刷直流 (BDC) 和步進電機相比具有許多性能優(yōu)勢。與 BDC 電機相比，BLDC 電機更高效、功率更高、扭矩更大、更安靜、使用壽命更長且速度更快。如今，很多不同的產(chǎn)品都明確宣稱采用了“無刷”技術(shù)。能夠跟上市場趨勢對于確保設(shè)計出在市場上受歡迎的產(chǎn)品而言非常重要，比如無線電動工具和園藝工具、無線吸塵器、無人機和遙控玩具、風扇和空氣凈化器以及自動百葉窗。

但是，在客戶系統(tǒng)中實施 BLDC 電機仍然是許多產(chǎn)品設(shè)計團隊難以逾越的瓶頸之一，尤其是在比較 BLDC 控制與 BDC 電機的復(fù)雜性時。即使是使用傳感型梯形控制模式的系統(tǒng)也是如此，這將是本文檔探討的主要主題。

有刷直流系統(tǒng)

在一個典型的中等功耗有刷直流電機系統(tǒng)中，我們可以看到四個外部 MOSFET 和一個相關(guān)的 H 橋柵極驅(qū)動器（例如 DRV8701）。低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 通過主電機電源為微控制器 (MCU) 和霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生 3.3V 電壓（LDO 可集成到柵極驅(qū)動器中）。系統(tǒng) MCU 獲取輸入（按鈕、命令等）并使用兩個輸出，即一個方向信號（順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)）和一個 PWM 信號（0% 到 100% 占空比，固定頻率），來控制電機。霍爾效應(yīng)傳感器用于向 MCU 反饋電機速度。

圖 1-1 有刷直流電機系統(tǒng)

這種系統(tǒng)使用的控制環(huán)路可以是速度控制環(huán)路，也可以是位置/伺服控制環(huán)路?；魻栃?yīng)傳感器輸出頻率與電機速度成正比，用于閉合速度控制環(huán)路。如果我們將積分器/累加器應(yīng)用于霍爾效應(yīng)傳感器信號，就能夠確定電機位置并操作位置控制環(huán)路。

圖 1-2 有刷直流電機速度控制環(huán)路

傳統(tǒng)無刷直流系統(tǒng)

了解類似的 BLDC 系統(tǒng)后，我們就知道為什么工程師會對以相同方式實現(xiàn)無刷直流電機的復(fù)雜性感到擔憂了。BLDC 控制的傳統(tǒng)解決方案涉及三個 ? H 橋柵極驅(qū)動器和六個外部 MOSFET。這些柵極驅(qū)動器具有 6 個 PWM 接口，因此每個 FET 都需要一個控制信號（總共六個輸入信號）。無刷直流電機需要電氣換向，這意味著系統(tǒng)負責通過按正確順序為各相通電來保持電機旋轉(zhuǎn)。對于包含傳感器的控制方案，電機中集成了三個霍爾效應(yīng)傳感器以提供位置反饋。在一些電機中，霍爾效應(yīng)傳感器被霍爾元件取代，霍爾元件具有模擬輸出，需要采用額外的比較器來實現(xiàn)正確的反饋。如圖 1-3中所示，與有刷直流電機方案相比，MCU 在所需的輸入和輸出方面的要求顯著增加。

圖 1-3 傳統(tǒng)無刷直流電機系統(tǒng)

經(jīng)過簡化的無刷直流系統(tǒng)

為了“簡化”無刷直流系統(tǒng)，我們來研究一下 DRV8306 三相智能柵極驅(qū)動器。該器件集成了一個六步（梯形）換向表，以便 DRV8306能夠控制無刷直流電機換向。這減輕了 MCU 的處理需求，并減少了 MCU 上所需的 GPIO 數(shù)量。通過集成換向表，DRV8306 器件可實現(xiàn) BLDC 設(shè)計，就像有刷直流電機系統(tǒng)使用方向和 PWM 命令進行控制一樣簡單。DRV8306 還集成了霍爾元件比較器，故無需額外的比較器或電路即可與霍爾效應(yīng)傳感器或霍爾元件一起使用。所有三個霍爾信號都集合在 DRV8306 中，向 MCU 發(fā)送一個速度反饋信號。

圖 1-4 經(jīng)過簡化的無刷直流電機系統(tǒng)

我們在圖 1-5 中看到，由柵極驅(qū)動器負責電機換向后，控制環(huán)路與有刷直流電機的控制環(huán)路類似。

這樣可實現(xiàn)復(fù)雜性更低且易于控制的系統(tǒng)。對于上述有刷直流電機系統(tǒng)示例和這個經(jīng)過簡化的無刷直流電機示例，MCU 的電機控制要求是相同的。

圖 1-5 經(jīng)過簡化的無刷直流電機速度控制環(huán)路

結(jié)論

設(shè)計復(fù)雜性是無法在產(chǎn)品中實現(xiàn)無刷直流電機的常見原因，雖然對于傳統(tǒng)無刷直流系統(tǒng)來說確實如此，但諸如 DRV8306 之類的器件可簡化無刷直流電機控制模式，實現(xiàn)與有刷直流系統(tǒng)類似的控制復(fù)雜性。

器件建議

DRV8306 不是唯一可以對配有傳感器的電機執(zhí)行梯形控制的器件，因此可根據(jù)必要的系統(tǒng)要求選擇其他器件。MCT8316Z 是另一款類似的器件，它還集成了功率級 MOSFET 和電流檢測電阻器，用于峰值高達 8A 的電機。DRV8306 和 MCT8316Z 可支持霍爾元件輸入，而下面列出的其他器件僅支持沒有外部比較器的霍爾效應(yīng)傳感器（在 1x PWM 模式下）。