BLDC 電機的無代碼無傳感器控制

無刷直流電機 (BLDC) 或永磁同步電機 (PMSM) 的無傳感器和可用電機控制算法的開發(fā)既復(fù)雜又耗時。開發(fā)過程可能存在不同的挑戰(zhàn)，包括在所有情況下電機要可靠啟動而不發(fā)生倒轉(zhuǎn)、實時檢測電機轉(zhuǎn)子的初始旋轉(zhuǎn)方向、精確檢測電機電流和電壓以便可靠地估計電機的位置。其他挑戰(zhàn)包括電機參數(shù)的變化、可控的電機停止、更快的加速和減速、超高速度、防止電機鎖死、過流和短路的內(nèi)置保護機制等。這個過程會很困難，需要更長的開發(fā)和測試時間。MCT8329A 無代碼無傳感器梯形控制三相柵極驅(qū)動器幫助設(shè)計人員加快設(shè)計速度、無需編寫代碼即可對電機調(diào)優(yōu)以提高性能，以及實現(xiàn)可擴展、高效率、低噪聲、穩(wěn)健的電機控制。

MCT8329A 是一種強大、緊湊和高效的驅(qū)動器

對于真空吸塵器和鼓風(fēng)機等應(yīng)用，高速運轉(zhuǎn)可以減小整個系統(tǒng)的尺寸并提供強大的吸力或氣流。但是，在超高速度下使用無傳感器方法控制 BLDC 電機難度很大，并且會由于電機換向不當(dāng)而導(dǎo)致效率降低。

MCT8329A 器件集成了多種技術(shù)，可在各種運行速度下提高效率。

1. 混合換向方案：MCT8329A 器件集成了混合換向，在中低速時通過使用反電動勢積分來確定換向時刻，在高速時使用內(nèi)置精密比較器（BEMF 過零）來確定換向時刻。該算法會根據(jù)電機速度在反電動勢積分和基于比較器的換向方案之間自動轉(zhuǎn)換?；趦?nèi)置比較器的換向可以實現(xiàn)高效率和超高速度的電機控制，使電機電氣頻率超過 3kHz（對于 2 極電機，轉(zhuǎn)速高達 180kRPM 以上）。圖 1 顯示了 MCT8329A 在 3kHz 以上的頻率下運行，說明了實現(xiàn)出色電機電流的正確換向。

   圖 2 顯示了 3kHz 電機速度下的初始速度檢測和閉環(huán)換向的實時檢測。

   圖 1 使用 MCT8329A 實現(xiàn)電機速度超過 3kHz
   圖 2 使用 MCT8329A 在 3kHz 初始速度下實時檢測
2. 超前滯后控制：為了提高效率，必須控制電機的驅(qū)動狀態(tài)，使電機相電流與電機 BEMF 電壓保持一致。對于具有高凸極的電機，與反電動勢相比，稍微提前或延遲送入電機電流可實現(xiàn)更高的扭矩輸出和更高的效率。MCT8329A 集成了超前滯后角度控制（-20^o 超前和 30^o 滯后），可更大限度地提高效率和扭矩輸出。
3. 混合 PWM 調(diào)制：BLDC 電機的傳統(tǒng)換向使用高側(cè)調(diào)制，其中高側(cè)電源開關(guān)在 120^o 電氣周期內(nèi)以 PWM 頻率在目標占空比下進行開關(guān)。低側(cè)電源開關(guān)在 120^o 電氣周期內(nèi)持續(xù)保持開啟狀態(tài)。另一種方法可以是低側(cè)調(diào)制。在任一種情況下，當(dāng)其他相位切換時，浮動相繞組中會有電流，如圖 3 所示。這會減小有效轉(zhuǎn)矩，并增加扭矩紋波，從而導(dǎo)致額外的功率損耗，并會導(dǎo)致高側(cè)和低側(cè)開關(guān)之間的損耗分布不均勻。這會導(dǎo)致在較低占空比下減小扭矩傳遞。

   MCT8329A 器件集成了一種混合調(diào)制方案，可以消除浮動相電流，如圖 4 所示，從而提高扭矩、效率并實現(xiàn)損耗的均勻分布。

   圖 3 高側(cè) PWM 調(diào)制
   圖 4 混合 PWM 調(diào)制
4. 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)去磁：MCT8329A 器件集成了多種技術(shù)，可提高電機換向時刻的精度。利用反電動勢檢測比較器的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)可優(yōu)化寬工作電壓范圍內(nèi)的電壓檢測分辨率。借助動態(tài)去磁功能（或可調(diào)去磁窗口），用戶可以調(diào)節(jié)反電動勢檢測窗口，直至換向相電流達到零，從而消除錯誤的反電動勢檢測。

安靜的 BLDC 電機運行

對于家庭、辦公室或商業(yè)使用，降低噪聲是電機驅(qū)動應(yīng)用的首要要求。MCT8329A 提供具有額外 150^o 調(diào)制的高級無傳感器梯形控制技術(shù)，與傳統(tǒng)的 120^o 梯形控制設(shè)計相比，可將 BLDC 電機噪聲降低 2-4%。

圖 5 顯示了 150°換向的高速（1kHz 電氣）真空吸塵器低電感電機的相電流。

具有可擴展性，可實現(xiàn)高達 100% 的開發(fā)重用

為多個終端應(yīng)用開發(fā)單個平臺有助于降低生產(chǎn)成本、改善庫存管理、減少設(shè)計工作量并加快推向市場的速度。MCT8329A 器件可在電壓、功率和電機控制算法方面實現(xiàn)可擴展性。

1. 不同電壓下的可擴展性：MCT8329A 驅(qū)動器支持 4.5V 至 60V 的工作電壓，可通過調(diào)節(jié)外部 MOSFET 和電容器來支持適用于 5V、12V、18V、24V、36V 等不同應(yīng)用電壓的單個 PCB 設(shè)計。帶電荷泵的集成柵極驅(qū)動器自舉架構(gòu)有助于為外部 MOSFET 實現(xiàn) 100% 占空比支持，提供大于 8V 的 VGS 信號以驅(qū)動外部 MOSFET（即使在 5V 直流電源電壓下也是如此），并為標準 MOSFET 提供足夠的柵源電壓。
2. 不同功率級別下的可擴展性：MCT8329A 器件中的柵極驅(qū)動器可為外部 MOSFET 提供高達 1A 的拉電流和 2A 的灌電流，有助于驅(qū)動所需功率級別超過 1kW 的應(yīng)用，并且讓設(shè)計人員可以通過適當(dāng)調(diào)整檢測電阻和大容量電容器的大小并調(diào)整集成電流檢測放大器的增益來更改外部 MOSFET 的導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (R_{DS_ON})，從而為各種應(yīng)用功率級別創(chuàng)建單個平臺。
3. 不同電機控制下的可擴展性：MCT8329A 器件集成了 120^o 和 150^o 換向、可配置 PWM 開關(guān)頻率和 PWM 調(diào)制方案，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇控制。

快速實時控制系統(tǒng)響應(yīng)

許多應(yīng)用都要求電機可以快速加速或減速。CPAP 呼吸機和汽車燃油泵等應(yīng)用必須在幾十毫秒內(nèi)減速和加速。真空吸塵器必須在幾秒鐘內(nèi)加速至全速，以改善用戶體驗?？焖偌铀倩驕p速會帶來系統(tǒng)挑戰(zhàn)（包括無傳感器電機控制的同步丟失、將能量泵回直流總線），這會增加直流總線電壓，從而需要更高的額定電容器或具有更高額定值的下游器件。

MCT8329A 可以實現(xiàn)快速啟動、加速到全速和快速停止等實時響應(yīng)操作，同時保障快速、可靠和安全的運行。借助 MCT8329A 驅(qū)動器中獲得專利的快速減速技術(shù)，現(xiàn)在可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)電機控制技術(shù)快 50% 的減速。MCT8329A 停止電機時不會將能量泵回電池，從而保護電機系統(tǒng)免受損壞。圖 6 顯示了 CPAP 電機在 130ms 內(nèi)從 33kRPM 減速至 3.3kRPM。

MCT8329A 器件集成了可靠的快速啟動方法以及可獨立配置的啟動和開環(huán)設(shè)置，并且具有自動開環(huán)到閉環(huán)切換功能，用戶可以實現(xiàn)更快的啟動，例如在汽車燃油泵應(yīng)用中，從靜止到全速 (270Hz) 的啟動時間為 35ms，如圖 7 所示。圖 8 顯示了使用 MCT8329A 驅(qū)動器，真空吸塵器電機在 1.5 秒內(nèi)加速至 1.2kHz (72kRPM) 的全速。

結(jié)論

MCT8329A 驅(qū)動器可實現(xiàn)可擴展、超高速、高效和快速響應(yīng)平臺設(shè)計，從而幫助設(shè)計下一代高速、強大的真空吸塵器、花園吹葉機或其他 BLDC 應(yīng)用。

參考文獻

1. 德州儀器 (TI)，MCT8329A 高速無傳感器梯形控制三相 BLDC 柵極驅(qū)動器 數(shù)據(jù)表。