簡化版磁場定向馬達控制演算法適用於經濟實惠的嵌入式控制器,這種演算法的出現是無刷直流(BLDC)馬達取得成功的一個重要因素。在越來越多的應用場景下,無刷直流馬達都比普通的有刷直流馬達(bushed DC)和線路供電交流馬達(line-powered AC motor)更受歡迎;BLDC的應用非常廣泛,包括工業用致動器(actuator)和機床、機器人、電腦週邊、醫療設備(如呼吸器和分析儀)、車用驅動器、鼓風機、泵浦以及家用電器等等,幾乎無所不在。

無刷直流馬達的優勢已經不僅在於能提高可靠性,以及降低與碳刷整流相關的雜訊和電氣干擾。雖然有刷馬達主要是由電壓控制,但是無刷直流馬達對電子整流(electronic commutation)的依賴讓人們有機會以更高精度管理轉子位置、速度、加速度,還有馬達的輸出扭矩、效率及其他參數,從而能夠滿足特定的應用需求。

無刷直流馬達控制策略

要控制無刷直流馬達,首先要知道轉子位置,控制器利用此資訊來協調與磁場相關的轉子線圈之供電,以確保馬達提供所需的回應,包括保持速度、加速、減速、改變方向、減小或增加扭矩、緊急停止或其他回應,具體取決於應用和操作條件。

轉子位置可直接使用位於轉子軸上的感測器或編碼器進行檢測。編碼器類型豐富,大致分為相對位置和絕對位置兩種;同時還有各種類型的感測技術,如磁線圈旋轉變壓器,或是霍爾效應、光學或電容感測器。根據解析度、耐用程度或成本等要求,這些類型的任何一種技術都可能適用既定的應用案例。

無感測器控制是一種可行的替代方法,它利用現有微控制器的運算能力,透過測量每個轉子繞組中的反電動勢(back electromagnetic field,back EMF)來計算轉子位置。無需編碼器,因此可以節省材料成本、簡化組裝並提高可靠性。磁場導向控制(field-oriented control,FOC)將轉子電流分解為d (direct)軸和q (quadrature)軸分量,因為直流值變化緩慢,可以簡化控制挑戰;結合這種控制方法,無需感測器即可檢測轉子位置。這種檢測方式非常適合成本和可靠性比最終精度更重要的應用,比如家用電器和汽車車窗、後視鏡或座椅控制等等。

另一方面,如果生成的反電動勢很小,無感測器控制在轉子速度較低時效果較差。

控制器和電源模組選擇

為了控制無刷直流馬達轉子相位中的電流,微控制器首先將應用命令轉換為每個線圈的脈寬調變(PWM)開關訊號,這些訊號被輸入到最終控制電源開關的閘極驅動器──通常是MOSFET,該驅動器將電流輸送到轉子線圈。需要低電流的超小型馬達可以使用包含內建閘極驅動器和小功率MOSFET的全整合式馬達控制MCU進行管理。另一方面,更大、更高功率的馬達則需要專用的外部驅動器和MOSFET。

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圖1:可以控制採用H橋配置的MOSFET來逆轉通過馬達線圈的電流方向,從而實現雙向旋轉。

功率MOSFET最常見的連接方式是馬達和雙極(bipolar)電源之間的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:也就是電晶體1與電晶體2配對,電晶體3與電晶體4配對。這使得線圈可以改變電流方向,從而驅動馬達前進或後退。在這種配置下,馬達可能不接地,這通常要求使用脈衝變壓器或光耦合器(optocoupler)將MOSFET驅動器與微控制器進行電氣隔離。

為了選擇最適合搭建H橋的MOSFET,設計工程師必須考量所需電壓和電流額定值、開關速度,以及開關和傳導損耗等因素。而閘極驅動器也必須能夠快速對MOSFET的閘極電容進行充電和放電,以確保能夠快速切換到應用所要求的最大頻率。

市場上有各式各樣鎖定無刷直流馬達控制應用的微控制器和專用馬達控制器,例如Cypress Semiconductor的PSoC 3系列可程式化系統單晶片。如圖2所示,PSoC 3架構提供了一整套無刷直流馬達控制功能。

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圖2:PSoC 3架構具有豐富的無刷直流馬達控制功能,同時有多個PWM功能區塊以及監控和通訊功能。(資訊來源:Cypress)

用PSoC3元件打造馬達控制器,能讓開發人員獲得豐富的晶片上資源,從而提高靈活性和整合度。多達4個晶片上PWMS使單個PSoC3能夠同時控制4個馬達,或者在多工基礎上控制多達8個馬達;內建電流監測功能可幫助系統檢測轉動阻力,並做出適當的回應,以及檢測短路或燒毀情況。另外還提供脈衝檢測,用於輕鬆監控轉子位置和速度,並允許記憶和預設位置。

整合的電源模組

PSoC 3包含控制無刷直流馬達所需的大部分功能元件,除了H橋和驅動器。為了實現驅動器,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PSoC3產生的脈寬調變訊號傳遞到MOSFET H橋。

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圖3:MPC8024是高度整合的電源模組,設計用於控制外部MOSFET的閘極,從而控制針對無刷直流馬達的供電。(資訊來源:Microchip Technology)

MCP8024整合了一些重要的功能,例如三個額定電壓,以及電流高達12V和0.5A的半橋驅動器(具有針對高側和低側MOSFET的擊穿保護和獨立輸入控制),還有一個用於為配套微控制器供電的降壓轉換器。另外還有三個用於相電流監控(phase-current monitoring)和轉子位置檢測的運算放大器,一個過電流比較器,2個電平轉換器(level translators),以及5V和12V 20mA的LDO穩壓器。更多的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。這些廣泛的功能整合到一個小巧的40接腳5mm x 5mm QFN或48接腳7mm x 7mm TQFP封裝內。

結論

無刷直流馬達已迅速成長為馬達類型首選,應用範圍包括對成本敏感的大眾消費性市場,包括消費性產品、車用驅動器/致動器以及家用電器,還有高階工業與醫療設備市場。由於其高可靠性、多功能性、低雜訊和電氣干擾以及易於使用等特性,透過能以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。PSoC 3控制器與恰當的電源模組和電源開關相結合,可以同時管理多個馬達,並整合先進馬達管理和監控功能電路。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年3月刊

(本文出自EE Times姊妹刊,ASPENCORE旗下Planet Analog網站,參考原文:Controlling Brushless DC Motors to Tackle New Challenges,by Rudy Ramos)