BLDC電機由于消除了傳統(tǒng)直流電機換向時使用的電刷而具有顯著的可靠性。刷子磨損，降低了電機的性能，最終必須更換。相反，在額定參數(shù)范圍內(nèi)運行時，BLDC電機的預(yù)期壽命可超過10，000小時或更長。與傳統(tǒng)裝置相比，這種壽命以及隨后的維護和備件成本的降低可以抵消電機的較高初始成本。

BLDC電機正在進入最具成本意識的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，在汽車領(lǐng)域，BLDC電機的使用正在飆升。汽車制造商尤其被電機在機械工作中轉(zhuǎn)換電能的效率所吸引，這有助于降低對車輛電力系統(tǒng)的需求(圖1)。根據(jù)分析師IMS的研究，到2018年，6億只BLDC電機將用于內(nèi)燃機驅(qū)動的輕型車輛，而2011年則為2億只。(BLDC電機的大型版本在電動和混合動力汽車中已經(jīng)很常見。)

圖1：BLDC電機，如用于水泵的這種裝置，正在取代汽車應(yīng)用中的傳統(tǒng)電機(Melexis提供)。

BLDC電機的這種興趣促使芯片供應(yīng)商為該單元的電子控制系統(tǒng)開發(fā)定制的單片芯片。本文將詳細(xì)介紹BLDC電機控制芯片 - 用于驅(qū)動逆變橋的設(shè)備，最終激活電機線圈并控制速度和方向等參數(shù)。

減少霍爾傳感器故障

飛兆半導(dǎo)體公司擁有BLDC電機控制的悠久歷史，最近推出的FCM8201芯片仍在繼續(xù)。該器件專為感應(yīng)BLDC電機控制而設(shè)計。 (傳感電機需要霍爾效應(yīng)傳感器來指示線圈位置以輔助電子換向序列)。

FCM8201的關(guān)鍵技術(shù)進步是它可以選擇脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式。有兩種PWM模式可供選擇：正弦波模式和方波模式。方波模式包括PWM-PWM和PWM-ON技術(shù)，可提高電機驅(qū)動效率。

Fairchild解釋說，該器件還內(nèi)置霍爾信號調(diào)節(jié)電路，可為每個傳感器信號輸入產(chǎn)生3至6μs的“去抖”時間。該電路減少了霍爾傳感器信號轉(zhuǎn)換緩慢時可能出現(xiàn)的毛刺 - 以及隨后的錯誤。

FCM8201可以在沒有外部微控制器(MCU)的獨立配置中使用，或者如果設(shè)計人員想要添加比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備支持更多的電機控制功能，則可以通過串行外設(shè)接口連接外部MCU( SPI)接口。圖2顯示了FCM8201的典型獨立應(yīng)用電路。只需幾個外圍元件即可完成BLDC電機控制電路。

圖2：飛兆半導(dǎo)體FCM8201 BLDC電機控制器的典型獨立應(yīng)用電路。

使用電機磁通進行無傳感器控制

無傳感器BLDC電機取消霍爾傳感器，而是依靠電機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反電動勢的大小來估算線圈位置并確定正確的換向順序。

無傳感器控制是一種流行的技術(shù)，因為它簡化了電機的機械設(shè)計，但一個缺點是電機靜止時不會產(chǎn)生反電動勢，而電機低速運行時則很少。這使得控制器難以確定線圈的位置。

針對低成本BLDC安裝，德州儀器(TI)推出了InstaSPIN-BLDC電機控制技術(shù)來解決這一問題。該公司表示，InstaSPIN-BLDC是一種無傳感器控制技術(shù)，在50多種不同電機類型的現(xiàn)場測試中，能夠在不到20秒的時間內(nèi)啟動和運行每臺電機。簡而言之，TI將InstaSPIN-BLDC描述為在三相BLDC電機上執(zhí)行無傳感器換向的軟件方法。據(jù)該公司稱，它的優(yōu)勢包括電機調(diào)試非?？焖伲词乖诘退贂r也能實現(xiàn)強大的控制，以及超越速度擾動的卓越能力。

與基于反電動勢過零時序的其他無傳感器BLDC控制技術(shù)不同，InstaSPIN-BLDC監(jiān)控電機的磁通量，以確定何時換向電機。在自由圖形用戶界面(GUI)的幫助下(圖3)，用戶在繪圖窗口中確定通量信號，并設(shè)置“通量閾值”滑塊以指定電機應(yīng)換向的通量水平。 TI表示，可以通過觀察GUI上顯示的相電壓和電流波形來驗證最佳換向。

圖3：TI的InstaSPIN-BLDC使用一個免費的GUI來啟用設(shè)計工程師為快速電機啟動設(shè)置磁通閾值。

與磁通信號不同，低傳感器BLDC電機在較低速度下產(chǎn)生的低反電動勢信號導(dǎo)致較差的信噪比(SNR)性能。該公司聲稱InstaSPIN-BLDC可在低速下實現(xiàn)更平穩(wěn)的操作，即使在重負(fù)載下也能提供更可靠的電機啟動。

TI為其InstaSPIN-BLDC提供培訓(xùn)模塊。該公司還提供使用DRV8312/32 BLDC電機驅(qū)動器的三相BLDC電機套件(DRV8312-C2-KIT)和帶有F28035 controlCARD子系統(tǒng)的Piccolo MCU，以運行無傳感器InstaSPIN-BLDC技術(shù)。該公司發(fā)布了一份應(yīng)用報告，詳細(xì)說明了如何設(shè)置系統(tǒng)。¹

設(shè)計的靈活性

一些制造商提供沒有集成處理器的驅(qū)動芯片，以便熟悉特定MCU的設(shè)計人員使用該設(shè)備進行監(jiān)督電路。或者，與上述Fairchild芯片的情況一樣，一些供應(yīng)商允許設(shè)計人員通過添加更強大的外部MCU來覆蓋內(nèi)部處理器。

傳感器和無傳感器BLDC電機的優(yōu)勢在于它們越來越多地應(yīng)用于以前由傳統(tǒng)電機主導(dǎo)的應(yīng)用。雖然比后者更昂貴，但這種前期費用可以抵消較低的維護成本和BLDC電機的較長壽命。

希望利用這些輕巧，緊湊，功能強大的電機的設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)，通過引入主要芯片供應(yīng)商的芯片和設(shè)計工具，控制系統(tǒng)設(shè)計變得更加容易。還有一些選項可以讓設(shè)計師在設(shè)計中獲得更大的靈活性，從而增加將最終產(chǎn)品與競爭對手區(qū)分開來的機會。