1 TI 技術(shù)手冊(cè)

引言

無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)由于其高效率、高運(yùn)行速度、高單位體積磁通密度、緊湊尺寸、低維護(hù)要求和電磁干擾 (EMI) 問(wèn)題小而日漸普及。因此，BLDC 電機(jī)在各種應(yīng)用中逐漸取代有刷直流 (BDC) 電機(jī)，例如電器、電動(dòng)汽車(chē)、醫(yī)療應(yīng)用、暖通空調(diào) (HVAC)、運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人技術(shù)等應(yīng)用。BLDC 電機(jī)是一款三相同步電機(jī)，其定子由三相繞組（梯形 BLDC 電機(jī)采用集中繞組，正弦 BLDC 電機(jī)采用正弦分布繞組）和具有永磁體的轉(zhuǎn)子組成（在外轉(zhuǎn)子 PM 電機(jī)中反之亦然）。BLDC 電機(jī)沒(méi)有機(jī)械電刷和換向器組件，因此，可避免電刷磨損、火花和 EMI 等與 BDC 電機(jī)相關(guān)的問(wèn)題。這種電機(jī)也稱(chēng)為電子換向電機(jī)，因?yàn)槭褂玫氖腔谵D(zhuǎn)子位置的電子換向，而不是機(jī)械換向。通常使用霍爾效應(yīng)位置傳感器來(lái)感應(yīng) BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。

人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多用于控制 BLDC 電機(jī)的控制算法。這些算法通常根據(jù) BLDC 電機(jī)的類(lèi)型（梯形或正弦形）、位置傳感器要求（有傳感器或無(wú)傳感器）以及速度和轉(zhuǎn)矩（電流）控制要求進(jìn)行分類(lèi)。隨著當(dāng)今微控制器容量的增加，業(yè)內(nèi)正在擴(kuò)展諸如磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 之類(lèi)的高端控制算法的實(shí)現(xiàn)范圍。實(shí)施 FOC 算法可讓 BLDC 電機(jī)通過(guò)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（面對(duì)負(fù)載和速度變化具有更好的動(dòng)態(tài)性能）更高效（高功率因數(shù)和更高的輕負(fù)載效率）、更平穩(wěn)（降低轉(zhuǎn)矩紋波）地運(yùn)行。FOC 控制使定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)彼此正交，從而實(shí)現(xiàn)最大的電磁轉(zhuǎn)矩。通過(guò)采用磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，還可使電機(jī)的弱磁運(yùn)行速度高于標(biāo)稱(chēng)速度。

三相 BLDC 電機(jī)需要一個(gè)三相電壓源逆變器 (VSI) 為電機(jī)提供交流電流。該 VSI 的開(kāi)關(guān)通常采用由柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)、適用于低壓應(yīng)用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，或適用于高功率應(yīng)用的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。當(dāng)今大多數(shù)可用的柵極驅(qū)動(dòng)器都需要使用外部柵極元件（電阻和齊納二極管）來(lái)進(jìn)行操作和提供保護(hù)。但是，采用 TI 的智能柵極驅(qū)動(dòng) (SGD) 技術(shù)后則無(wú)需使用外部柵極元件，如圖 1-1 中所示。借助其可調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)電流（柵極壓擺率控制），SGD 架構(gòu)可靈活地減少電磁干擾 (EMI)。SGD 架構(gòu)可優(yōu)化死區(qū)時(shí)間，提高效率，同時(shí)充分保護(hù) FET 免遭擊穿，還添加了強(qiáng)下拉電流來(lái)防止任何雜散 dv/dt 柵極導(dǎo)通。

DRV8304 器件是一款基于 TI 智能柵極驅(qū)動(dòng) (SGD) 架構(gòu)的三相柵極驅(qū)動(dòng)器。該器件的最大工作電壓為 38V，針對(duì) 12V 和 24V BLDC 電機(jī) FOC 應(yīng)用進(jìn)行了全面優(yōu)化。DRV8304 支持外部 N 溝道高側(cè)和低側(cè)功率 MOSFET，可驅(qū)動(dòng)高達(dá) 150mA 的拉電流、300mA 的峰值灌電流和 15mA 的平均輸出電流。DRV8304 是一款高度集成的器件，包括柵極驅(qū)動(dòng)器電源（高側(cè)電荷泵和低側(cè)線性穩(wěn)壓器）、三個(gè)電流感應(yīng)放大器 (CSA) 和一個(gè) 3.3V、30mA 穩(wěn)壓器，用于為外部控制器供電。

DRV8304 中的集成電流感應(yīng)放大器 (CSA) 用于感應(yīng) BLDC 電機(jī)的三相電流，幫助打造出色的 FOC 和電流控制系統(tǒng)方案。5、10、20 和 40V/V 的可調(diào)增益設(shè)置支持用戶靈活選擇適合終端應(yīng)用的理想感應(yīng)電阻器。CSA 還可以配置為感應(yīng)單向電流，該電流可用于實(shí)現(xiàn)梯形 BLDC 電機(jī)的限流控制。DRV8304 中的 CSA 包含 AUTOCAL 功能，該功能可在上電后自動(dòng)校準(zhǔn) CSA 的失調(diào)電壓誤差，從而實(shí)現(xiàn)精確的電流感應(yīng)。

DRV8304 提供了各種 PWM 模式，因而是一款易于連接的驅(qū)動(dòng)器。用戶可靈活地為 FOC（或正弦電流控制）選擇 6x 或 3x 模式，為具有片上區(qū)塊轉(zhuǎn)換功能的梯形電流控制選擇 1x 模式，為驅(qū)動(dòng)螺線管繼電器選擇獨(dú)立模式。高級(jí)別保護(hù)功能集使該器件在任何操作場(chǎng)景下均無(wú)懈可擊。這些功能包括電源欠壓鎖定 (UVLO)、電荷泵欠壓鎖定 (CPUV)、VDS 過(guò)電流監(jiān)視 (OCP)、柵極驅(qū)動(dòng)器短路檢測(cè) (GDF) 和過(guò)熱關(guān)斷 (OTSD)，并通過(guò) nFAULT 引腳指示故障事件。下文總結(jié)了使 DRV8304 適用于 BLDC 電機(jī) FOC 應(yīng)用的一系列功能。

• 針對(duì) 12V 和 24V BLDC 電機(jī)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器絕對(duì)最大電壓 (40V)
• 具有 4 種增益選項(xiàng)設(shè)置、用于三相 BLDC 電機(jī)電流感應(yīng)的三通道 CSA
• AUTOCAL 功能可減少 CSA 輸入失調(diào)電壓誤差，因而改善電機(jī)旋轉(zhuǎn)抖動(dòng)性能
• 高工作開(kāi)關(guān)頻率，可改善噪聲性能
• 可調(diào)壓擺率，可優(yōu)化 EMI 性能
• 死區(qū)時(shí)間非常短，可提高開(kāi)關(guān)效率
• 傳播延遲超低，可提高脈沖控制精度并加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)
• 高度集成的驅(qū)動(dòng)器和小尺寸封裝，可減小電路板面積
• 高級(jí)片上保護(hù)功能和診斷

備選器件建議

根據(jù)必要的系統(tǒng)要求，還可通過(guò)其他器件提供所需的性能和功能。對(duì)于需要詳細(xì)診斷和跛行回家模式支持的應(yīng)用，建議使用 DRV8305。在需要更高工作電壓（例如由 36V 電池供電）的應(yīng)用中，宜選擇 DRV832x。