概要
如今，工程師將馬達控制系統用於數位與類比技術來應對過去面臨的挑戰，包括馬達速度控制、旋轉方向、漂移及馬達疲勞等。微控制器(MCU) 的應用為當代工程師提供了動態控制馬達動作的機會，從而使其能夠應對環境壓力和狀況。這有助於延長操作壽命並減少維修，從而降低成本。目前，馬達製造商傾向於製造三相BLDC馬達。原因在於BLDC馬達不直接接觸換向器和電氣終端（有刷馬達直接接觸），因而不僅可降低功耗增加扭矩，同時還可延長操作時間。遺憾的是，與有刷直流或交流馬達相比，三相馬達控制裝置更加複雜。此外，數字與類比組件之間的關係變得非常重要。
本文探討在三相BLDC馬達應用中使用類比組件和微控制器時應考慮的問題。同時還將重點介紹適合在直流電壓從12V 到300V 不等的電源下驅動微控制器的電源管理裝置及功率電平位移器。
對BLDC馬達的需求究竟源自何處？
近來，設計師更喜歡使用高效的BLDC馬達。這種趨勢適用於眾多市場和各種應用。目前，許多應用能夠或已經使用BLDC馬達替代過時的交流馬達或機械泵技術。使用BLDC 馬達的重要優勢，包括：
‧更高效（達75%，交流馬達僅為 40%）
‧更少的熱量
‧高耐久性（無刷型，所以無磨損）
‧可在危險環境下操作更加安全（無灰塵產生，而有刷馬達則有）。
在主要子系統中使用BLDC馬達還可降低整個系統重量。由於BLDC馬達完全採用電子整流，因此更易於高速地控制馬達的扭矩和RPM。全球政府正應對電網不足引起的有效功率不足。此外，全球許多地區必須應對需求高峰期產生的電源中斷。因此，這些國家正在提供補貼或準備發放補貼，以便更有效地使用BLDC 馬達。
戰略細分市場和應用
汽車市場中包含許多機械和液壓泵/移動控制裝置被替換的實例。具體應用包括燃油泵、動力轉向、座椅控制、汽車HVAC（暖通空調）頂窗運動及擋風玻璃的刮水馬達等。據計算，轉換為BLDC 馬達後，可為每項上述功能節省約每加侖汽油多行駛一英里的能源。這需歸功於顯著的燃料節省及功率效率。
家電。家電市場中一些家電可受益於使用高效的BLDC馬達。
其中包括泵、風機、空調、攪拌器、手動工具及其它廚房用具。
工業系統。多數泵、風機、空調、混合器及HVAC需要馬達驅動。歐盟已經發布法令要求所有新的工業用具使用BLDC馬達的三相“變頻驅動”。
大型家電。使用高效BLDC馬達可減少許多洗衣機和乾衣機的用電量。
BLDC馬達通過什麼驅動？
有幾種方法可用於驅動 BLDC馬達；一些基本系統要求如下所列：
a.大功率電晶體。這些通常是廠效應管（MOSFET）或絕緣柵雙極電晶體（IGBT），可承受高壓（滿足馬達的要求）。多數家電使用的馬達功率為1/2 至3/4 馬力（1 馬力=734瓦特）。因此，典型電流能力可達到10A。對於高壓系統而言（通常>350V），可使用IGBT。
b.MOSFET/ IGBT 驅動器。通常，可使用一組MOSFET/IGBT驅動器。可選擇“半橋”驅動器或三相驅動器。這些解決方案能夠操作的電壓必須為馬達電壓的兩倍，以應對馬達產生的逆電動勢(EMF)。此外，這些裝置需要通過設置時間和切換控制提供功率電晶體保護，從而確保底部電晶體打開之前關掉頂部電晶體。
c.反饋元件/控制。設計師應在所有伺服控制系統中設置一些“反饋元件”。例如光學感測器、霍爾效應感測器、轉速計及最簡單的“EMF 感測”。各種反饋方法都非常有用，主要取決於所需精確度及所需RPM 和扭矩。許多消費者電器通常使用反電動勢感測的無感測器技術。
d.類比數位轉換器。在許多情況下，需要設置類比數位裝置，以將類比信號轉換為數位信號，從而將數位信號發送至系統MCU。
e.MCU。所有閉環控制系統（BLDC馬達幾乎一直屬於此群組）均需要MCU，以實現伺服迴路控制、計算、糾正、PID控制機感測器管理。這些數位控制器通常為16 位，但是複雜性較低的應用可使用8 位控制器。
f.類比功率/調節器/基準。除了上述組件以外，許多系統還包括輔助電源、電壓轉換及其他類比設備，如管理器、LDO、直流/直流及運算放大器。
產品特色
a.功率驅動器。麥瑞公司擁有適合業界應用的各種類型MOSFET/IGBT 驅動器。主要參數包括：快速脈衝延遲、閘電荷/控制的高峰值電流及工作電壓達85V。例如，麥瑞MIC4604 系列可承受的逆電動勢馬達電壓達85V。
b.電壓基準與管理器。麥瑞可提供一系列對操作MCU至關重要的裝置。實例包括： MIC811、MIC2775及MIC1232電壓管理器電路。
c.運算放大器/比較儀。麥瑞擁有一系列低功率運算放大器與比較儀。這些裝置對於確保精確的伺服系統反饋控制至關重要。實例包括：MIC6270、MIC841N及 MIC833。
d.LDO。麥瑞可提供廣泛應用的LDO，包括快速瞬態LDO、低輸入LDO、最低釋放LDO 及高強度電流LDO。實例包括： MIC49150、MIC29150、MIC5235 及 MIC5283。
e. 直流/直流（DC/DC）開關穩壓器。麥瑞也可提供大量高效直流/直流變流器。這些可用於輔助電源，包括MIC2605增壓和MIC4682 降壓（步降）開關穩壓器。
三相無刷直流馬達的基本操作原理
無刷直流(BLDC) 馬達為同步馬達，轉子和線圈繞組中設有永久磁鐵。它們可在馬達定子上產生電磁（圖5）。電氣端子直接連接至定子繞組；因此，轉子上未連接刷子或機械裝置（如有刷馬達）。 BLDC馬達使用直流電源和開關電路，在定子繞組上產生雙向電流。開關電路必須在每個繞組中使用一個高端開關和低端開關，因此一個BLDC 馬達共使用6 個開關。
現代馬達設計採用固態開關，如MOSFET 或 IGBT，這取決於與繼電器相比時馬達的速率和電壓。此外，還必須考慮成本、可靠性和尺寸（圖6）。開關電流產生適當的磁場極性，可吸引相反極性，排斥相同極性。從而產生磁力，促使轉子旋轉。將永久磁鐵用於轉子可為設計師提供機械利益；並可減小尺寸，降低重量。與有刷馬達和感應馬達相比，BLDC 馬達的熱特性更優，因而成為掀起機械系統節能新浪潮的理想選擇。
BLDC 通常使用三個相位（繞組），每個相位具有120度的導通間隔（圖7）。
由於為雙向電流，每個相位按照每個導通間隔有兩個步驟。這是一種鍍錫六步換向。例如，換向相序可為 AB-AC-BC-BA-CA-CB。每個導電階段標記一個步驟，任何時候只能由兩個繞組導通電流，第三個繞組懸空。未勵磁繞組可用作反饋控制，構成無感測器控制演算法特徵的基礎。
為了保持在轉子之前的定子內部的磁場，並產生最佳扭矩，必須在精確的轉子位置完成從一個扇形區到另一個的過渡。通過每60 度轉向的開關電路獲得最大扭矩。所有開關控制演算法均包含在 MCU 中。微控制器可通過MOSFET 驅動器控制開關電路。 MOSFET 驅動器包含適當響應時間（如維持延遲及上升和下降時間）和驅動能力（包括轉換MOSFET / IGBT“開”或“關”狀態所需的門驅動電壓和電流同步。
轉子位置對於確定馬達繞組換向所需的正確力矩非常重要。在精度要求較高的應用中，可使用霍爾感測器或轉速計計算轉子的位置速度和轉矩。在首要考慮成本的應用中，逆電動勢(EMF) 可用於計算位置、速度和轉矩。
逆電動勢是指永久磁鐵在定子繞組中產生的電壓。馬達轉子旋轉時會出現這種情況。共有三個可用於控制和反饋信號的主要逆電動勢特徵。第一，適用於馬達速度的逆電動勢等級。因此，設計師使用工作電壓至少為標準電壓的2 倍的MOSFET 驅動器。第二，逆電動勢信號的斜率隨速度增加而增加。第三亦即最後者，如圖8所示的“交叉事件”中逆電動勢信號是對稱的。精確檢測交叉事件是執行逆電動勢演算法的關鍵。逆電動勢類比信號可使用高壓運算放大器和類比數字轉換器（廣泛應用於最現代的微控制器）按每個混合信號電路轉化至MCU。每個至少需要一個 ADC。
使用無感測器控制時，啟用順序至關重要，這是由於MCU最初不確定轉子的初始位置。首先啟動馬達，激勵兩個繞組，同時從逆電動勢反饋迴路進行幾次測量，直到確定了精確位置。
通常可使用具有MUC 的閉環控制系統操作BLDC 馬達。 MCU 可執行伺服迴路控制、計算、糾正、PID 控制及感測器管理（如逆電動勢、霍爾感測器或轉速計）（圖9）。這些數字控制器通常為8 位元或更高，需要EEPROM 儲存固件，從而獲得設置所需馬達速度、方向及維持馬達穩定性所需的演算法。通常，MCU 可提供允許無感測器馬達控制構架的ADC。該構架可節省寶貴成本和電路板空間。 MCU 兼具較強可構造性和靈活性，可滿足優化應用演算法之所需。類比IC 可為MUC 提供高效電源、電壓調整、電壓基準，能夠驅動MOSFET 或IGBT及故障保護。採用這兩種技術均可高效地操作三項BLDC 馬達，且與感應馬達和有刷馬達價格相當。
總結
在許多市場和應用中，向高效BLDC 馬達過渡的趨勢越來越普遍。這是由於 BLDC 馬達用於以下優勢：
‧高效（達 75%，交流馬達僅為 40%）
‧熱量更少
‧更高可靠性（無電觸頭）
‧可在危險環境下操作更加安全（無灰塵產生，而有刷馬達則有）。
通過在關鍵任務子系統中使用BLDC 馬達，可減少重量。這意味著在車輛中應用節約更多燃油。由於BLDC馬達完全採用電子整流，因此更易於高速地控制馬達的扭矩和RPM。全球許多國家面臨著電網不足引起的有效功率不足。為了更有效地使用BLDC馬達，少數國家正在提供補貼或正準備提供補貼。BLDC部署是在避免對我們的生活方式造成不利影響的前提下促進綠色環保，節約全球寶貴資源的趨勢之一。
（本文作者John T. Lee、Carlos Ribeiro 和 Miguel Mendoza任職於麥瑞(Micrel)公司）
相關作者
相關產業類別
相關關鍵字
相關組織
相關產品類別
相關網站單元