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無刷直流馬達控制應對新挑戰
 

【作者: Rudy Ramos】   2019年06月19日 星期三

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簡化的磁場導向馬達控制演算法可以在價格合理的嵌入式控制器上運作,這種演算法的出現是促成無刷直流(BLDC)馬達成功的一個重要因素。在越來越多的應用場景下,BLDC馬達現在優於普通的有刷直流和線路供電交流馬達,它們的應用範圍涵蓋工業致動器(actuators)和機床、機器人、電腦和周邊設備、以及呼吸器和分析儀等醫療設備、汽車驅動器、鼓風機和泵浦和家用電器等行業。


BLDC馬達的優勢不僅僅是其更高可靠性,還可減輕與碳刷整流相關的可聽雜訊和電氣干擾。雖然有刷馬達主要採用電壓控制,但BLDC仰仗電子式換相(electronic commutation),能夠以更高精度管理轉子位置、速度和加速度以及馬達輸出轉矩、效率和其他參數,從而能夠滿足特定應用之要求。


BLDC控制策略

BLDC馬達之控制取決於感測轉子位置,該項資料使控制器能夠相對於磁場協調轉子線圈之供電,以確保馬達提供所需的回應,其中包括速度保持、加速、減速、改變方向、減少或增加扭矩、緊急停止或其他動作,具體取決於特定應用和運作條件。


轉子位置可以使用位於轉子軸上的感測器或編碼器直接檢測。市面上可提供各種類型編碼器,大致可分為相對位置和絕對位置兩種類型。也有各種類型的感測技術,例如磁線圈旋轉變壓器、霍爾效應、光學或電容感測器。根據解析度、牢固性或成本等要求,這些類型感測器中,任何一種都可能適用於特定的應用。


無感測器控制是一種非常實用的替代方案,它利用當下微控制器的運算能力,透過量測每個轉子繞組中的反電磁場(back electromagnetic field)來運算轉子位置。


由於不再需要編碼器,因而可以節省材料清單成本,並簡化組裝,提高可靠性。磁場導向控制(FOC)可將轉子電流分解為d(direct)軸和q(quadrature)軸分量,DC值變化緩慢,能夠簡化控制挑戰,在家用電器和汽車車窗、後視鏡或座椅控制等裝置中,其最終精度不如成本和可靠性那麼重要,轉子位置的無感測器檢測在此類應用中非常奏效。


另一層面,當僅產生小的反電磁場時,無感測器控制在低轉子速度下效果較差。


控制器和電源模組選擇

為了控制BLDC轉子相位電流,微控制器首先將應用命令轉換為每個線圈的脈衝寬度調變(PWM)切換訊號。這些訊號輸入到閘極驅動器,最終控制電源切換(通常是MOSFET),進而向轉子線圈提供電流。具有低電流需求的超小型馬達可以採用完全整合的馬達控制MCU來管理,這種MCU包含內建閘極驅動器和小功率MOSFET。另一方面,更大尺寸、更高功率的馬達則需要專用的外部驅動器和MOSFET。


功率MOSFET最常見連接方式是馬達和雙極電源之間H橋或全橋配置,如圖1所示。位於對角位置的上方與下方MOSFET是成對進行控制:即電晶體1與電晶體2配對,電晶體3與電晶體4配對。這樣可以使線圈在一個方向或另一個方向上通電,從而驅動馬達正向或反向轉動。在此配置中,馬達或許不可接地,這通常要求使用脈衝變壓器或光耦合器將MOSFET驅動器與微控制器實現電隔離。



圖1 : H橋配置中的MOSFET可以受控來逆轉流經馬達線圈之電流,從而實現雙向旋轉。
圖1 : H橋配置中的MOSFET可以受控來逆轉流經馬達線圈之電流,從而實現雙向旋轉。

為了選擇最適合搭建H橋的MOSFET,設計師必須考量諸如所需的電壓和電流額定值、切換速度、切換和傳導損耗等參數。反過來,閘極驅動器必須能夠快速對MOSFET閘極電容進行充電和放電,以確保能夠快速切換到應用要求的最高頻率。


市面上有各式各樣針對無刷直流控制應用的微控制器和專用馬達控制器,其中之一是Cypress Semiconductor 的PSOC3系列可程式化系統單晶片。如圖2所示,PSOC3體系架構為BLDC馬達控制提供了一套完整功能。



圖2 : PSOC3架構具備豐富的無刷直流控制功能,包含多個PWM功能區塊以及監控和通訊功能。
圖2 : PSOC3架構具備豐富的無刷直流控制功能,包含多個PWM功能區塊以及監控和通訊功能。

用PSOC3晶片搭建馬達控制器使開發人員能夠獲得多功能的片上資源,從而增強系統的彈性和整合度。多達四個片上PWM使單個PSOC3能夠同時控制四個馬達,或者在多工應用時控制多達八個馬達。內建電流偵測使系統能夠檢測旋轉載荷並做出適當回應,並可檢測短路或燒壞狀況。另外,它還提供脈衝檢測,從而簡化對轉子位置和速度的監控,並允許記憶和預設位置。


整合式電源模組

除了H橋和驅動器之外,PSOC3包含了控制無刷直流馬達所需大部分功能元件。為了實現驅動器設計,如圖3所示的Microchip MCP8024三相無刷直流電源模組提供了一種方便的解決方案,可以取代離散電路,將PSOC 3產生的脈寬調變訊號連接到MOSFET H橋。



圖3 : MPC8024是一款高整合度電源模組,設計用於控制外部MOSFET閘極,從而控制向無刷直流馬達供電。(來源: Microchip Technology)。
圖3 : MPC8024是一款高整合度電源模組,設計用於控制外部MOSFET閘極,從而控制向無刷直流馬達供電。(來源: Microchip Technology)。

MCP8024整合了一些非常重要的功能,包括有三個半橋驅動器(額定電壓12V,額定電流0.5A),具有針對高側和低側MOSFET的擊穿保護和獨立輸入控制,以及一個為伴隨微控制器供電的降壓轉換器。另外還有三個用於相電流和轉子位置偵測的運算放大器,一個過電流比較器,兩個電平轉換器,以及5V 和12V 20mA LDO穩壓器。更多內建保護功能包括欠壓和過電壓鎖定、短路保護和過熱關機等。所有這些廣泛的功能都整合到一個小巧的40接腳5mm x 5mm QFN 或者48接腳7mm x 7mm TQFP封裝。


結論

無刷直流馬達已迅速成為首選馬達類型,應用範圍已經包括從消費性產品、汽車驅動器和致動器、家用電器等對於成本敏感的大眾市場,延伸到高階工業和醫療設備。由於其高可靠性、多功能性、低可聽聞噪音和電氣雜訊以及易於使用等特性,無刷直流馬達能仰仗低成本微控制器或可程式化SoC實現的輕量化磁場導向控制策略即可對其進行控制,無論是否採用轉子位置感測器皆可。PSOC3控制器若與合適電源模組和電源開關組合使用,可以同時管理多個馬達,並能夠整合高階的馬達管理和監控電路。


(本文作者 Rudy Ramos任職於貿澤電子)


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