如何使用高度集成的 IC 快速启动无刷直流电机控制设计
作者：Bill Schweber
由于在很大程度上受物联网 (IoT) 和汽车电气化的推动，机械系统加速向电子控制转变，设计人员正在将低功耗电机应用于从家用电器、门锁和遥控百叶窗到汽车油泵、座椅、窗户和门等应用中的基本任务。这些直流电机的额定功率从小到几分之一马力到大到多个马力不等，虽几乎无处不在，但往往却不为人知。
虽然因为电机在不断改进且电机控制技术变得更好、更容易使用，而促进其快速扩展，但设计者仍然面临着提高效率和降低成本的持续压力，同时也要实现更大的精度和更高的可靠性。
无刷直流 (BLDC) 电机和步进电机（另一种无刷直流电机）的变型可以帮助设计者满足这些日益苛刻的性能和成本目标，但必须仔细考虑电机控制器和电机驱动电路。控制器必须向电机的电子驱动开关（通常是 MOSFET）提供合适的驱动信号，并以精心控制的时序和持续时间来完成。它还必须控制电机上升/下降的轨迹，并能检测和适应电机或负载不可避免的软问题和硬故障。
本文探讨了无刷直流电机的控制 IC 所提供的功能，为读者提供了一个关于无刷直流电机电气属性的整体视角，并解释了一个复杂的控制器如何使用 Renesas RAJ306010 系列电机控制 IC 让无刷直流电机满足应用目标。
电机控制路径和电机
从运动控制软件到电机的路径包括一个运行软件的处理器、电机电源开关设备的栅极驱动器和电机（图 1）。也可能有一条从电机的传感器通过模拟前端回到处理器的路径，便于提供关于电机转子的位置或速度的信息，以确认性能并关闭反馈回路。
图 1：今天的电机控制始于处理器中作为固件嵌入的软件，用以控制栅极驱动，而栅极驱动器又将电源切换到电机的绕组；另外还可能有一个从电机回到处理器的传感器驱动型反馈回路。（图片来源：Renesas）
设计师有两种领先的直流驱动无刷电机选择：BLDC 电机和步进电机。两者的功能都是因其内部永久磁铁间的磁互动和其电磁线圈的切换而实现的。选择使用这两种电机中的哪一个，由它们在预期应用领域的相对优点和缺点决定。
一般来说，BLDC 电机可靠性高，效率高，并能在一定的速度范围内提供大扭矩。电机定子两极依次通电，导致转子（及其永久磁铁）转动。BLDC 电机通常在其外围有三个电子控制的定子（图 2）。
图 2：BLDC 电机的定子依次通电，使永磁转子转动。（图片来源：Renesas）
BLDC 电机的关键属性包括响应性、快速加速、可靠性、长寿命、高速运行和高功率密度。它们通常是医疗设备、冷却风扇、无绳电动工具、转盘和自动化设备等应用的选择。
步进电机的工作原理与无刷直流电机类似，只是它的旋转运动要小得多，它把一个完整的旋转划分成大量的等角步进（通常是 128 或 256 步）。电机转子不是连续旋转，而是依次驱动它走过或踏过那些小角度的台阶（图 3）。这使得转子能够准确定位，因为它与通电的定子磁极产生的磁场同步。
图 3：步进运动有大量定子磁极，这些磁极围绕其转子及其永久磁铁排列；通过按控制顺序给这些磁极通电，使转子转动并完成小角度步进。（图片来源：Renesas）
步进电机是可靠的、精确的，并提供快速的加速和反应能力。由于其步进操作和电机结构、开环控制以及定位稳定性，通常足以满足精密应用要求，如 CD 驱动器、平板扫描仪、打印机和绘图仪。高级应用可以增加一个反馈传感器和闭环控制，以获得更高的精度和性能确认。
BLDC 电机控制选项
对于交流感应电机或有刷直流电机来说，速度和扭矩控制的主要手段是通过调整电源电压来实现的，而无刷直流电机与之不同，则是通过对功率开关 MOSFET 的开启和关闭的精心定时来控制的。这使得电机能够有效和准确地处理各种任务。
这些任务要求的范围包括：提供移动大量空气所需的高转数 (RPM)，以提供无绳真空吸尘器的吸力，以及必须具有高启动扭矩的电动工具，特别是当电机相对其负载而停滞时。在许多应用中，电机还必须能够处理巨大的负载变化，这就要求快速响应，以保持稳定的转速。
控制无刷直流电机的常见策略有：基本 120⁰ 开/关控制和矢量控制。在 120⁰ 开/关控制中，无刷直流电机三个线圈中的两个通电，六个通电模式按旋转顺序切换，以支持任何方向的旋转（图 4）。
图 4：无刷直流电机的定子磁极（左）可以按顺时针或逆时针的顺序通电（右），从而根据应用的需要驱动转子以任何方向旋转。（图片来源：Renesas）
在这种模式下，定子线圈以开/关电流（方波）方式通电，当电机升速、保持速度并在线圈断电后降速时，会产生梯形加速曲线。这种方法的好处是内在的简单性和直接操作能力。
然而，它很容易随着负载和其他变化而出现性能波动，而且对于某些应用来说，精度和效率都不够高。电机控制器中的复杂算法可以通过调整 MOSFET 的开/关时间，以及使用比例积分导数 (PID) 或比例积分 (PI) 控制，在一定程度上克服这些缺点。
有一个已经变得越来越有吸引力的替代方案就是矢量控制，亦称磁场定向控制 (FOC)。在这种方法中，所有三个线圈都通过连续控制旋转磁场来通电，与 120 度控制相比，运动更加平稳。FOC 现已发展到用于许多大众市场产品，如洗衣机。
在 FOC 中，每个定子线圈的电流是通过先进的算法测量和控制的，这需要复杂的数字处理。该算法还必须不断地将三相交流值转化为两相直流值（这一过程称为坐标相位转换），简化了后续控制所需的等式和计算（图 5）。如果操作得当，FOC 产生就是高度精确和有效的控制。
图 5：FOC 算法的一部分需要坐标相位转换来简化复杂的数字处理计算。（图片来源：Renesas）
用于反馈的传感器选项
无刷直流电机可以在没有反馈信号的开环拓扑结构中进行控制，也可以通过闭环算法，由电机上的传感器进行反馈。这个决定取决于应用的精度、可靠性和安全考虑因素。
增加一个反馈传感器会增加成本和算法的复杂性，但会增加对计算的信心，因此在许多应用中是必不可少的。根据不同的应用，主要关注的运动参数是转子的位置或速度。这两个因素密切相关：速度是位置的时间导数，而位置是速度的时间积分。
实际上，几乎所有的反馈传感器都指示位置，控制器可以直接使用它们的信号或开发衍生信息来确定速度。在更简单的情况下，反馈传感器的主要作用是作为基本电机性能的安全相关检查或作为失速指标，而不是用于闭环控制。
常用反馈传感器有四种类型：霍尔效应装置、光学编码器、旋转变压器和电感式传感器（图 6）。每一种都提供不同的性能属性、分辨率和成本。
图 6：如果用户的系统需要一个电机反馈信号，他们就有广泛的传感器选择，从霍尔效应装置到编码器、旋转变压器和感应传感器。（图片来源：Renesas）
霍尔效应装置通常被认为是最简单和最容易安装的，而且在许多情况下是足够用的。光学编码器有一系列的分辨率，从低到中等水平，但有安装方面的挑战，而且可能有一些长期可靠性问题。旋转变压器和电感式传感器尺寸更大、更重、更昂贵，并有一些接口方面的挑战，但能提供非常高的分辨率和长期性能。
电流的提供
无论是 BLDC 还是步进电机，无刷电机的磁极都是电磁“线圈”，因此必须由电流而非电压驱动。为了正确地给这些磁极通电，电机控制系统必须通过开/关切换（大多数情况下是 MOSFET）来提供这种电流，并具有准确的定时、脉冲宽度和受控的压摆率，以正确和有效地驱动电机。驱动安排还必须保护 MOSFET 免受各种故障条件的影响，如电机停转、电流需求过大、热过载和短路。
对于相对较小的电机，通常需要低于 500 毫安 (mA) 至 1 安培 (A) 的电流，可以将 MOSFET 栅极驱动器甚至 MOSFET 嵌入到电机控制 IC 封装中，以保持尽可能小的封装尺寸。虽然这很方便，并简化了设计导入，但在许多情况下，这并不是一个实用的选择，原因有多个：
·高性能 MOSFET 的半导体工艺与用于控制器数字逻辑的半导体工艺非常不同，因此组合的最终设计是一种妥协（但可能是可以接受的）。
·MOSFET 的功率耗散和热管理在很大程度上是由应用功率需求决定的。随着电流和功率水平的增加，片上 MOSFET 的耗散和产生的热量很快就会超过封装的限制。在这些情况下，将数字和电源功能分开才是更好的解决方案，让设计者能够优化 MOSFET 的放置和热管理。
·最后，随着电机所需电流水平的增加，电机电源导线中的 IR 驱动电压降的增加会成为一个问题。因此，建议将开关设备放在离负载更近的地方。
·由于这些原因，许多电机和运动控制 IC 包括了所有需要的功能，除了功率 MOSFET。多 MOSFET 的拓扑结构通常被称为逆变器功能。使用分立 MOSFET 能够让设计者灵活地选择具有合适规格组合的器件，如负载电流、“导通”电阻、封装类型和开关特性等因素。
复杂 IC 应对电机控制挑战
在过去，先进的电机控制需要一个 IC 组件。通常情况下，这可能涉及到一个低端的处理器来发出通用指令，并有一个专门的数字协处理器来实现必要的算法，或者一个高端的处理器来同时做这两件事，另外还有用于功率器件的栅极驱动电路。这不仅需要更大的印刷电路板面积和更长的物料清单 (BOM)，而且经常会有系统集成和相关的调试问题。
然而，今天的电机控制 IC 可以在一个器件中完成这所有一切，如 Renesas RAJ306010（图 7）所示。在 RAJ306010 内有许多功能块，专门针对电机控制设计的独特需求。
图 7：Renesas RAJ306010 IC 具有高度先进的电机控制所需的功能（功率 MOSFET 除外），因此比多 IC 解决方案占用的空间更少，同时简化了 BOM 和设计集成。（图片来源：Renesas）
这款通用的电机控制 IC 旨在用于三相无刷直流电机应用。它在一个微小的 8×8 毫米 (mm)、64 引脚的 QFN 封装中结合并紧密集成了两个不同的角色：数字控制器功能和大部分模拟预驱动器功能。它在 6 至 24 伏的电压下运行，目标针对独立、基本自主的应用，如电动工具、园艺工具、吸尘器、打印机、风扇、泵和机器人。（注意，另一个几乎相同的器件 RAJ306001 是一个 6 至 30 伏的版本，与 RAJ306010 共用相同的规格书。）
在数字方面，RAJ306010 集成了一个 16 位微控制器（Renesas 的 RL78/G1F 级），有 64KB 的闪存、4KB 的数据闪存和 5.5KB 的 RAM 支持。此外，还有大量的数字 I/O：通用 I/O (GPIO)、SPI、I2C 和一个 UART。另还有一个九通道、10 位模数转换器 (ADC)，以将模拟信号引入该器件。
为了使用 RAJ306010，系统设计者将所需的操作参数加载到相应的闪存控制寄存器中，以建立所需的操作模式和条件。从一个典型应用高级系统框图（图 8）中可以看出，该集成电路在上电时就可以发挥作用，而不需要任何额外的微控制器。
图 8：这个使用 RAJ306001 的基本应用高级系统框图显示了高集成水平是如何将对额外分立元件的需求降到最低的。（图片来源：Renesas）
RAJ306010 的模拟侧具有三个半桥栅极驱动器，栅极驱动峰值电流可调，最高可达 500 毫安，有一个自调整死区时间发生器功能，以防止桥“击穿”和损坏，另外还有一个电流感应放大器和一个反电动势放大器。一个集成的充电泵将所提供的栅极驱动电压从一个较低电压源电压提升到 13 伏。
对霍尔效应传感器有直接的支持，模拟前端 (AFE) 也可用于支持其他类型的反馈传感器。与任何设计合理的电机控制一样，其功能包括过热保护、过/欠电压锁定 (UVLO)、过流检测和对电机锁定条件的保护。
图 9 中的例子展示了 RAJ306010 如何轻松处理一个基本的独立应用，如 24 伏的无绳搅拌机，尽管它几乎可以是任何类似的小家电。请注意，大部分的电路都用于给八芯电池组充电和管理，而电机控制只需要控制 IC、外部三相桥接器（逆变器）、反馈电压感应电路（通过电流检测电阻器）和用户的“启动”按钮。
图 9：RAJ306010 的高级功能集成清楚地表明，基本家电的核心电机控制功能（如这种电池供电的搅拌器）所需的额外电路和额外元件是多么少。（图片来源：Renesas）
BLDC 电机控制上手体验
在纸上或在 PC 上使用整个系统的各种模型来计划、模拟、评估和调整一个电机控制应用是一回事。而运行一个实际的电机，并使用真实的组件、真实的负载和真实的动力来测试性能，以及了解设置初始启动条件和各种性能参数变化的影响则是另一回事。
这就是 Renesas RTK0EML2C0S01020BJ 电机控制评估系统（图 10）成为设计工程师重要资产的原因，同时该系统还配套了 Renesas Motor Workbench 以方便调试。这个软件工具能够让设计者熟悉 RAJ306010 的操作、其输入和输出模式以及其各种控制寄存器的功能。
图 10：该板是 Renesas RTK0EML2C0S01020BJ 电机控制评估系统的核心，当与 Renesas Motor Workbench 软件一起使用时，可加快参数的微调和使用 RAJ306010 电机控制 IC 时对电机性能的评估。（图片来源：Renesas）
为了更快地进入产品开发阶段，该评估系统包括了一个 24 伏/420 mA 的 BLDC 电机，空载速度为 3900 RPM，额定扭矩为 19.6 毫牛顿•米 (mN-m)（相当于 200 克力•厘米）。此外，Renesas 还提供了用于无传感器和基于传感器的控制的样本软件控制程序。
结语
设计人员考虑在其系统中使用直流电机时，除了传统的有刷直流电机外，还有许多选择。高性能、高性价比 BLDC 电机可在小型封装中用于实现大功率和高精度要求。为了充分实现这些无刷直流电机的潜力，人们开发出了智能控制器，它能够使用用户所需的参数实现所需的算法。这些器件还能为电机的开关 MOSFET 和其他模拟 I/O 提供必要的驱动，可实现完整的电机控制解决方案。
如上所述，像 Renesas RAJ306010 这样的 IC，在开发套件和软件的支持下，大大简化了为家电、汽车座椅和窗户以及以及其他许多现在常见的应用提供高性能、小尺寸和高效电机控制的设计挑战。
