本文敘述三相永磁無刷直流（BLDC）馬達的工作原理，並介紹兩種換向方法在複雜性、力矩波動和效率方面的特點、優(yōu)點和缺點；同時提出一種創(chuàng)新的BLDC換向方法，以及馬達控制器IC在三種換向方法的作用。

與傳統(tǒng)的有刷直流馬達的機械自換向不同，三相永磁無刷直流（Brushless DC ；BLDC）馬達控制需要一個電子換向電路。本文簡要回顧BLDC馬達的工作原理，並介紹兩種最廣泛使用的換向方法在複雜性、力矩波動和效率方面的特點、優(yōu)點和缺點；然後提出一種創(chuàng)新的BLDC換向方法，並探討安森美（onsemi）的新款馬達控制器積體電路（IC）的特性和優(yōu)點，該IC可適用於三種換向方法。

BLDC結(jié)構(gòu)

BLDC馬達是一種旋轉(zhuǎn)式的馬達，由定子上的三相電樞繞組和轉(zhuǎn)子上的永磁體組成。BLDC馬達的機械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的永磁有刷直流馬達相反，其轉(zhuǎn)子上裝有永磁體，定子上裝有馬達繞組。

然而，正如其名，BLDC馬達沒有電刷，無需定期維護或更換，因而不易受到磨損。BLDC轉(zhuǎn)子上的永磁體提供一個恆定的磁場，使其成為高效率、高力矩、低轉(zhuǎn)動慣量的馬達。BLDC的可靠性和變速驅(qū)動能力使其在眾多應(yīng)用中很受歡迎，包括白家電、暖通空調(diào)（HVAC）、汽車和工業(yè)機械，以及機器人。

三相BLDC馬達的換向電路通常用分立元件或MCU和整合的功率模組實現(xiàn)。使用分立元件的設(shè)計需要大量的設(shè)計專業(yè)知識和經(jīng)驗來構(gòu)建和排除故障，需要一定的時間來實施。採用分立功率級的專用馬達控制IC已成為一種更受歡迎的方法，因為幾乎不需要額外的電路，而且許多製造商為其產(chǎn)品提供專用的配套軟體，這大大簡化了設(shè)置和調(diào)試。一個完全分立的解決方案通常可以將解決方案的元件成本降到最低。

而一個更加整合的解決方案可以通過減少PCB面積和製造步驟來降低整體系統(tǒng)成本—最少化物料清單（BOM）元件，降低庫存成本，並促進在新設(shè)計中快速重用迭代—並提高整體解決方案的可靠性。目前安森美已提供一款帶有分立功率級的專用控制IC。

BLDC控制

與典型的有刷直流馬達不同，BLDC馬達控制系統(tǒng)被稱為逆變器。它包括一個驅(qū)動馬達的功率級、用於感測無感測器工作的反電勢訊號檢測放大器、用於有感測器工作的編碼器或霍爾感測器，以及一個基於MCU的控制器。

控制器將速度和位置的回饋資訊轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)腜WM訊號，以實現(xiàn)對馬達的動態(tài)控制。逆變器系統(tǒng)有許多優(yōu)勢，可以抵消其在成本和複雜性方面的缺點：更高可靠性和能效，更少雜訊，更寬的工作範(fàn)圍以及對速度和力矩的出色控制。要設(shè)計BLDC無刷直流逆變系統(tǒng)，還需要具備電子設(shè)計、布板和韌體編程方面的專業(yè)知識，並有完成這些工作的工具和資源。

梯形控制和磁場導(dǎo)向控制（FOC，又稱為向量控制），是在BLDC系統(tǒng)中廣泛使用的兩種換向演算法。梯形換向是最簡單的，但卻是效率最低、雜訊最大的方法。FOC實現(xiàn)起來更複雜，但通常更安靜、更高效。這兩種方法都可以採用有感測器或無感測器的工作方式。

圖1 : BLDC體現(xiàn)霍爾感測器位置（source：Onsemi）

梯形換向

梯形換向在每個馬達相上使用兩個功率開關(guān)元件，它們遵循預(yù)先確定的「開-關(guān)」順序。這種方法很受歡迎，因為控制演算法很簡單，而且能夠基於最基礎(chǔ)的MCU實現(xiàn)。梯形控制在控制馬達速度方面非常有效，但卻是效率最低的方法。儘管如此，它在換向過程中仍受高力矩波動影響，特別是在低速時，梯形換向在需要簡單閉環(huán)工作的低端應(yīng)用中很受歡迎。

由於非線性因素，產(chǎn)生了巨大的力矩波動，而且在任何特定時間，三個馬達繞組中只有兩個有電流流過。結(jié)果，非線性因素產(chǎn)生了雜訊和振動，而且由於電流控制器必須足夠慢，不能對電流從相位到相位的傳輸瞬態(tài)做出回應(yīng)，因此限制了整體性能。180°換向方法可以通過梯形換向產(chǎn)生高力矩，但120°換向可最小化力矩波動。開關(guān)順序的確定是為了在馬達旋轉(zhuǎn)時進行兩個連續(xù)的馬達相位（間隔為60°）。

圖2 : 6步梯形控制波形（source：Onsemi）

磁場導(dǎo)向控制

FOC是一種更複雜的換向方法，具有更高的處理要求，更適合於高端應(yīng)用。與梯形換向相比，F(xiàn)OC的優(yōu)點包括精確定位、更高的速度、更低的力矩波動和更低的雜訊，以及更高的電源效率。使用FOC換向方法，馬達可以基於馬達電流回饋去計算電壓和電流向量，從而實現(xiàn)無感測器換向，但如果應(yīng)用需要，也可以利用霍爾效應(yīng)感測器。

FOC可以在寬廣的工作電壓範(fàn)圍內(nèi)保持高效率，能夠?qū)λ俣群土剡M行精確的動態(tài)控制。在FOC中，三個定子電流代表一個由正交力矩和磁通分量組成的向量。克拉克和帕克的數(shù)學(xué)變換將不同時間的交流電流和電壓波形轉(zhuǎn)換為直流值，大大簡化了下游的處理要求。FOC的主要缺點是需要增加處理能力，這可能需要一個更強大的MCU。

直接力矩和磁通量控制

雖然DTC和DTFC已經(jīng)存在了一段時間，但Theta Power Solutions, Intl （TPSI）開發(fā)了一種新的無感測器BLDC換向法，直接控制力矩和磁通量。雖然DTFC不是一個新概念，TPSI開發(fā)出了一種獨特的、更有效的方法，為BLDC馬達提供磁通弱化，以提高高速能力。

TPSI的無感測器解決方案是制動演算法的理想選擇，能夠提供高慣性負(fù)載的可控減速。它採用了高速數(shù)據(jù)匯流排，可以傳輸即時馬達回饋資訊，以提供每安培最大力矩（MTPA）的控制電流。它在所有負(fù)載條件下（甚至在飽和狀態(tài)下）都能確保馬達的高效率，並具有熱補償功能，讓馬達可以不間斷運行或在極端溫度下運行。

對於需要在非常低的速度下獲得精確力矩的應(yīng)用，TPSI的無感測器解決方案可以很好地解決這一問題，由於不需要感測器，讓用戶可以降低系統(tǒng)成本。

TPSI的方案與傳統(tǒng)的DTC（和FOC）相比，其優(yōu)勢包括但不限於：

- 能夠以極低的電流需求進行閉環(huán)啟動

- 在更大的速度範(fàn)圍內(nèi)具有卓越的穩(wěn)定性

- 無感測器工作

- 高速遙測技術(shù)允許將馬達作為感測器使用

- 每安培的最大力矩

- 噪音最小化

- 易於擴展性能

- 出色的低速性能（~5Hz），無需感測器

- 在整個速度範(fàn)圍內(nèi)具有出色的力矩調(diào)節(jié)能力

- 用戶介面簡化了流程，讓馬達快速運行

TPSI的DTFC需要額外的處理能力來實現(xiàn)。ECS640A是基於Arm Cortex-M0+級MCU實現(xiàn)這一先進控制技術(shù)的產(chǎn)品。

控制選擇三合一

安森美ecoSpin系列可配置馬達控制器可選用上述三種控制方法中的任何一種。ECS640A是該系列的第一個元件，是一個系統(tǒng)級封裝（SiP）方案。它整合了Arm Cortex-M0+微控制器、檢測放大器、參考放大器、自舉二極體，以及為高電壓、高速運行而設(shè)計的高壓柵極驅(qū)動器，統(tǒng)合在10mmx13mm的QFN封裝中。它可以驅(qū)動工作電壓高達600V的MOSFET和IGBT（FAN73896），並有六個柵極驅(qū)動器輸出，可向外部功率器件提供350mA/650mA（典型值）的柵極電流。該器件包括GPIO霍爾感測器輸入，以支持所需的感測操作，並有三個獨立的低端源引腳，允許進行單一或多個分流測量。

小尺寸和高整合度使得該元件適合與分立功率元件一起使用，以最大限度地提高擴展性。它配有一個由閃存加載器、器件啟動和系統(tǒng)檔、外設(shè)驅(qū)動器（CMSIS-Driver樣式）組成的軟體開發(fā)套件（SDK），以及用於外設(shè)演示的示例代碼。安森美還與Theta Power Solutions, Inc.合作，為ECS640A提供DTFC固件，這使得在Arm Cortex-M0+處理器上實現(xiàn)最佳化的馬達性能。

易於使用的圖形用戶介面簡化了代碼開發(fā)，加快產(chǎn)品上市。這種整合的解決方案為所使用的特定馬達自動生成係數(shù)參數(shù)，使系統(tǒng)易於設(shè)置並且能夠快速運行，不會因旋轉(zhuǎn)馬達的細(xì)節(jié)疏漏而出錯。

靈活性和整合性

BLDC馬達在各種應(yīng)用中越來越受歡迎，但需要適當(dāng)?shù)膿Q向來充分發(fā)揮其優(yōu)勢。在選擇BLDC馬達控制器IC時，選擇能提供最多換向選擇和高整合度的IC是有意義的。ECS640A馬達控制器提供靈活性和易用性，支持有感測器和無感測器應(yīng)用。

（本文作者Joe Howell為安森美資深系統(tǒng)工程師）