ZHCAAK1B April 2018 – April 2021 DRV8304 , DRV8306 , DRV8320 , DRV8320R , DRV8323 , DRV8323R , DRV8350 , DRV8350R , DRV8353 , DRV8353R , MCT8316Z
1 應(yīng)用簡報(bào)
引言
無刷直流 (BLDC) 電機(jī)仍然是一種重要且應(yīng)用日趨廣泛的電機(jī)類型，與有刷直流 (BDC) 和步進(jìn)電機(jī)相比具有許多性能優(yōu)勢(shì)。與 BDC 電機(jī)相比，BLDC 電機(jī)更高效、功率更高、扭矩更大、更安靜、使用壽命更長且速度更快。如今，很多不同的產(chǎn)品都明確宣稱采用了“無刷”技術(shù)。能夠跟上市場趨勢(shì)對(duì)于確保設(shè)計(jì)出在市場上受歡迎的產(chǎn)品而言非常重要，比如無線電動(dòng)工具和園藝工具、無線吸塵器、無人機(jī)和遙控玩具、風(fēng)扇和空氣凈化器以及自動(dòng)百葉窗。
但是，在客戶系統(tǒng)中實(shí)施 BLDC 電機(jī)仍然是許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)難以逾越的瓶頸之一，尤其是在比較 BLDC 控制與 BDC 電機(jī)的復(fù)雜性時(shí)。即使是使用傳感型梯形控制模式的系統(tǒng)也是如此，這將是本文檔探討的主要主題。
有刷直流系統(tǒng)
在一個(gè)典型的中等功耗有刷直流電機(jī)系統(tǒng)中，我們可以看到四個(gè)外部 MOSFET 和一個(gè)相關(guān)的 H 橋柵極驅(qū)動(dòng)器（例如 DRV8701）。低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 通過主電機(jī)電源為微控制器 (MCU) 和霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生 3.3V 電壓（LDO 可集成到柵極驅(qū)動(dòng)器中）。系統(tǒng) MCU 獲取輸入（按鈕、命令等）并使用兩個(gè)輸出，即一個(gè)方向信號(hào)（順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）和一個(gè) PWM 信號(hào)（0% 到 100% 占空比，固定頻率），來控制電機(jī)?；魻栃?yīng)傳感器用于向 MCU 反饋電機(jī)速度。
圖 1-1 有刷直流電機(jī)系統(tǒng)這種系統(tǒng)使用的控制環(huán)路可以是速度控制環(huán)路，也可以是位置/伺服控制環(huán)路。霍爾效應(yīng)傳感器輸出頻率與電機(jī)速度成正比，用于閉合速度控制環(huán)路。如果我們將積分器/累加器應(yīng)用于霍爾效應(yīng)傳感器信號(hào)，就能夠確定電機(jī)位置并操作位置控制環(huán)路。
圖 1-2 有刷直流電機(jī)速度控制環(huán)路傳統(tǒng)無刷直流系統(tǒng)
了解類似的 BLDC 系統(tǒng)后，我們就知道為什么工程師會(huì)對(duì)以相同方式實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的復(fù)雜性感到擔(dān)憂了。BLDC 控制的傳統(tǒng)解決方案涉及三個(gè) ? H 橋柵極驅(qū)動(dòng)器和六個(gè)外部 MOSFET。這些柵極驅(qū)動(dòng)器具有 6 個(gè) PWM 接口，因此每個(gè) FET 都需要一個(gè)控制信號(hào)（總共六個(gè)輸入信號(hào)）。無刷直流電機(jī)需要電氣換向，這意味著系統(tǒng)負(fù)責(zé)通過按正確順序?yàn)楦飨嗤妬肀３蛛姍C(jī)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于包含傳感器的控制方案，電機(jī)中集成了三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器以提供位置反饋。在一些電機(jī)中，霍爾效應(yīng)傳感器被霍爾元件取代，霍爾元件具有模擬輸出，需要采用額外的比較器來實(shí)現(xiàn)正確的反饋。如圖 1-3中所示，與有刷直流電機(jī)方案相比，MCU 在所需的輸入和輸出方面的要求顯著增加。
圖 1-3 傳統(tǒng)無刷直流電機(jī)系統(tǒng)
經(jīng)過簡化的無刷直流系統(tǒng)
為了“簡化”無刷直流系統(tǒng)，我們來研究一下 DRV8306 三相智能柵極驅(qū)動(dòng)器。該器件集成了一個(gè)六步（梯形）換向表，以便 DRV8306能夠控制無刷直流電機(jī)換向。這減輕了 MCU 的處理需求，并減少了 MCU 上所需的 GPIO 數(shù)量。通過集成換向表，DRV8306 器件可實(shí)現(xiàn) BLDC 設(shè)計(jì)，就像有刷直流電機(jī)系統(tǒng)使用方向和 PWM 命令進(jìn)行控制一樣簡單。DRV8306 還集成了霍爾元件比較器，故無需額外的比較器或電路即可與霍爾效應(yīng)傳感器或霍爾元件一起使用。所有三個(gè)霍爾信號(hào)都集合在 DRV8306 中，向 MCU 發(fā)送一個(gè)速度反饋信號(hào)。
圖 1-4 經(jīng)過簡化的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)我們?cè)?a xmlns:opentopic="http://www.idiominc.com/opentopic" class="xref" href="#T5364657-5">圖 1-5 中看到，由柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)電機(jī)換向后，控制環(huán)路與有刷直流電機(jī)的控制環(huán)路類似。
這樣可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性更低且易于控制的系統(tǒng)。對(duì)于上述有刷直流電機(jī)系統(tǒng)示例和這個(gè)經(jīng)過簡化的無刷直流電機(jī)示例，MCU 的電機(jī)控制要求是相同的。
圖 1-5 經(jīng)過簡化的無刷直流電機(jī)速度控制環(huán)路結(jié)論
設(shè)計(jì)復(fù)雜性是無法在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的常見原因，雖然對(duì)于傳統(tǒng)無刷直流系統(tǒng)來說確實(shí)如此，但諸如 DRV8306 之類的器件可簡化無刷直流電機(jī)控制模式，實(shí)現(xiàn)與有刷直流系統(tǒng)類似的控制復(fù)雜性。