基于FCM8201的BLDC电机控制解决方案

　　无刷直流 （BLDC） 电机正迅速成为要求高可靠性、高效率和高功率体积比应用 的自然选择。这些电机在很宽的速度范围内提供大量扭矩，并具有与有刷电机相似的扭矩和速度性能曲线特征（尽管有刷电机在静止时提供更大的扭矩）。

　　BLDC 电机由于消除了传统直流电机中用于换向的电刷而获得了显着的可靠性。刷子磨损，降低了电机的性能，最终不得不更换。相比之下，在额定参数内运行时，BLDC 电机的预期寿命可超过 10，000 小时或更长。与传统装置相比，这种寿命以及随之而来的维护和备件成本的降低足以抵消电机较高的初始成本。

　　BLDC 电机现在正在进入最具成本意识的应用。例如，在汽车领域，BLDC 电机的使用量猛增。汽车制造商尤其被电机在将电能转换为机械功方面的效率所吸引，这有助于降低对车辆动力系统的需求（图 1）。根据分析师 IMS 的研究，到 2018 年，6 亿台 BLDC 电机将用于内燃机驱动的轻型汽车，而 2011 年为 2 亿台。（更大版本的 BLDC 电机已经在电动和混合动力汽车中普遍使用。）

　　BLDC 电机，就像水泵中使用的这个单元一样，正在取代汽车应用中的传统电机（由 Melexis 提供）。

　　对 BLDC 电机的这种兴趣促使硅供应商为单元的电子控制系统开发定制的单片芯片。本文详细介绍了 BLDC 电机控制芯片——这些器件既用于驱动逆变桥，最终为电机线圈供电，又用于控制速度和方向等参数。

　　减少霍尔传感器故障

　　Fairchild Semiconductor在 BLDC 电机控制方面有着悠久的历史，随着最近推出的FCM8201芯片的推出而延续。该器件专为感应式 BLDC 电机控制而设计。（感应电机需要霍尔效应传感器来指示线圈位置以帮助电子换向顺序）。

　　FCM8201 的关键技术进步在于其脉宽调制 （PWM） 模式的选择。有两种 PWM 模式可用：正弦波模式和方波模式。方波模式包括提高电机驱动效率的 PWM-PWM 和 PWM-ON 技术。

　　Fairchild 解释说，该器件还集成了一个内置霍尔信号调节电路，可为每个传感器信号输入生成 3 到 6 μs 的“去抖动”时间。该电路减少了霍尔传感器信号转换缓慢时可能发生的毛刺和后续错误。

　　FCM8201 可以在没有外部微控制器 （MCU） 的情况下以独立配置使用，或者如果设计人员想要添加超出标准设备支持的更多电机控制功能，则可以通过串行外围接口 （SPI） 接口连接外部 MCU 。 图 2 显示了 FCM8201 的典型独立应用电路。只需几个外围元件即可完成一个 BLDC 电机控制电路。

 

 

　　图 ：Fairchild FCM8201 BLDC 电机控制器的典型独立应用电路。

　　使用电机磁通的无传感器控制

　　无传感器 BLDC 电机取消了霍尔传感器，而是依靠电机转动时产生的反电动势的大小来估计线圈位置并确定正确的换向顺序。

　　无传感器控制是一种流行的技术，因为它简化了电机的机械设计，但一个缺点是在电机静止时不会产生反电动势，而在电机低速运行时则很少产生反电动势。这使得控制器难以确定线圈的位置。德州仪器 （ Texas Instruments

　　） 针对低成本 BLDC 装置（TI） 推出了其 InstaSPIN-BLDC 电机控制技术来解决这个问题。该公司表示，InstaSPIN-BLDC 是一种无传感器控制技术，在对 50 多种不同电机类型的现场测试中，能够在不到 20 秒的时间内启动并运行每个电机。简而言之，TI 将 InstaSPIN-BLDC 描述为一种在三相 BLDC 电机上执行无传感器换向的软件方法。据该公司称，其优势包括电机调试非常快、即使在低速时也能进行稳健的控制，以及通过速度扰动的卓越能力。

　　与其他基于反电动势过零时序的无传感器 BLDC 控制技术不同，InstaSPIN-BLDC 监控电机的磁通以确定何时对电机进行换向。借助免费的图形用户界面 （GUI）（图 3），用户可以在绘图窗口中确定磁通信号，并设置“磁通阈值”滑块以指定电机应换向的磁通水平。TI 表示，可以通过观察 GUI 上显示的相电压和电流波形来验证最佳换向。

 

 

　　图 ：TI 的 InstaSPIN-BLDC 使用免费的 GUI，使设计工程师能够设置磁通阈值以实现快速电机启动。

　　与磁通信号不同，来自低速无传感器 BLDC 电机的低反电动势信号会导致较差的信噪比 （SNR） 性能。该公司声称 InstaSPIN-BLDC 能够在低速下实现更平稳的运行，并提供更可靠的电机启动，即使在重负载下也是如此。

　　TI 为其InstaSPIN-BLDC提供了一个培训模块。该公司还提供其三相 BLDC 电机套件（DRV8312-C2-KIT），该套件使用 DRV8312/32 BLDC 电机驱动器和带有 F28035 controlCARD 子系统的Piccolo MCU来运行无传感器 InstaSPIN-BLDC 技术。该公司发布了一份应用报告，详细介绍了如何设置系统。¹

　　设计灵活性

　　一些制造商提供不带集成处理器的驱动芯片，以允许熟悉特定 MCU 的设计人员使用该设备来监督电路。或者，如上述 Fairchild 芯片的情况，一些供应商允许设计人员通过添加功能更强大的外部 MCU 来覆盖内部处理器。

　　有传感器和无传感器 BLDC 电机的优势使它们越来越多地进入以前由传统电机主导的应用。虽然比后者更昂贵，但这笔前期费用可以抵消 BLDC 电机较低的维护成本和较长的使用寿命。

　　希望利用这些轻巧、紧凑且功能强大的电机的设计人员会发现，随着主要芯片供应商的芯片和设计工具的引入，控制系统设计变得更加容易。还有一些选项可以让设计师在其设计中获得更大的灵活性，从而增加将最终产品与竞争对手区分开来的机会。

　　参考：

　　“ InstaSPIN™ BLDC 实验室”，德州仪器，应用报告 SPRABN7，2011 年 11 月。