無刷直流 （BLDC） 電機正迅速成為要求高可靠性、高效率和高功率體積比應(yīng)用 的自然選擇。這些電機在很寬的速度范圍內(nèi)提供大量扭矩，并具有與有刷電機相似的扭矩和速度性能曲線特征（盡管有刷電機在靜止時提供更大的扭矩）。

　　BLDC 電機由于消除了傳統(tǒng)直流電機中用于換向的電刷而獲得了顯著的可靠性。刷子磨損，降低了電機的性能，最終不得不更換。相比之下，在額定參數(shù)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，這種壽命以及隨之而來的維護和備件成本的降低足以抵消電機較高的初始成本。

　　BLDC 電機現(xiàn)在正在進入最具成本意識的應(yīng)用。例如，在汽車領(lǐng)域，BLDC 電機的使用量猛增。汽車制造商尤其被電機在將電能轉(zhuǎn)換為機械功方面的效率所吸引，這有助于降低對車輛動力系統(tǒng)的需求（圖 1）。根據(jù)分析師 IMS 的研究，到 2018 年，6 億臺 BLDC 電機將用于內(nèi)燃機驅(qū)動的輕型汽車，而 2011 年為 2 億臺。（更大版本的 BLDC 電機已經(jīng)在電動和混合動力汽車中普遍使用。）

　　BLDC 電機，就像水泵中使用的這個單元一樣，正在取代汽車應(yīng)用中的傳統(tǒng)電機（由 Melexis 提供）。

　　對 BLDC 電機的這種興趣促使硅供應(yīng)商為單元的電子控制系統(tǒng)開發(fā)定制的單片芯片。本文詳細介紹了 BLDC 電機控制芯片——這些器件既用于驅(qū)動逆變橋，最終為電機線圈供電，又用于控制速度和方向等參數(shù)。

　　減少霍爾傳感器故障

　　Fairchild Semiconductor在 BLDC 電機控制方面有著悠久的歷史，隨著最近推出的FCM8201芯片的推出而延續(xù)。該器件專為感應(yīng)式 BLDC 電機控制而設(shè)計。（感應(yīng)電機需要霍爾效應(yīng)傳感器來指示線圈位置以幫助電子換向順序）。

　　FCM8201 的關(guān)鍵技術(shù)進步在于其脈寬調(diào)制 （PWM） 模式的選擇。有兩種 PWM 模式可用：正弦波模式和方波模式。方波模式包括提高電機驅(qū)動效率的 PWM-PWM 和 PWM-ON 技術(shù)。

　　Fairchild 解釋說，該器件還集成了一個內(nèi)置霍爾信號調(diào)節(jié)電路，可為每個傳感器信號輸入生成 3 到 6 μs 的“去抖動”時間。該電路減少了霍爾傳感器信號轉(zhuǎn)換緩慢時可能發(fā)生的毛刺和后續(xù)錯誤。

　　FCM8201 可以在沒有外部微控制器 （MCU） 的情況下以獨立配置使用，或者如果設(shè)計人員想要添加超出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備支持的更多電機控制功能，則可以通過串行外圍接口 （SPI） 接口連接外部 MCU 。 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一個 BLDC 電機控制電路。

　　圖 ：Fairchild FCM8201 BLDC 電機控制器的典型獨立應(yīng)用電路。

　　使用電機磁通的無傳感器控制

　　無傳感器 BLDC 電機取消了霍爾傳感器，而是依靠電機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反電動勢的大小來估計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，但一個缺點是在電機靜止時不會產(chǎn)生反電動勢，而在電機低速運行時則很少產(chǎn)生反電動勢。這使得控制器難以確定線圈的位置。德州儀器 （ Texas Instruments

　?。?針對低成本 BLDC 裝置（TI） 推出了其 InstaSPIN-BLDC 電機控制技術(shù)來解決這個問題。該公司表示，InstaSPIN-BLDC 是一種無傳感器控制技術(shù)，在對 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)啟動并運行每個電機。簡而言之，TI 將 InstaSPIN-BLDC 描述為一種在三相 BLDC 電機上執(zhí)行無傳感器換向的軟件方法。據(jù)該公司稱，其優(yōu)勢包括電機調(diào)試非常快、即使在低速時也能進行穩(wěn)健的控制，以及通過速度擾動的卓越能力。

　　與其他基于反電動勢過零時序的無傳感器 BLDC 控制技術(shù)不同，InstaSPIN-BLDC 監(jiān)控電機的磁通以確定何時對電機進行換向。借助免費的圖形用戶界面 （GUI）（圖 3），用戶可以在繪圖窗口中確定磁通信號，并設(shè)置“磁通閾值”滑塊以指定電機應(yīng)換向的磁通水平。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 ：TI 的 InstaSPIN-BLDC 使用免費的 GUI，使設(shè)計工程師能夠設(shè)置磁通閾值以實現(xiàn)快速電機啟動。

　　與磁通信號不同，來自低速無傳感器 BLDC 電機的低反電動勢信號會導(dǎo)致較差的信噪比 （SNR） 性能。該公司聲稱 InstaSPIN-BLDC 能夠在低速下實現(xiàn)更平穩(wěn)的運行，并提供更可靠的電機啟動，即使在重負載下也是如此。

　　TI 為其InstaSPIN-BLDC提供了一個培訓(xùn)模塊。該公司還提供其三相 BLDC 電機套件（DRV8312-C2-KIT），該套件使用 DRV8312/32 BLDC 電機驅(qū)動器和帶有 F28035 controlCARD 子系統(tǒng)的Piccolo MCU來運行無傳感器 InstaSPIN-BLDC 技術(shù)。該公司發(fā)布了一份應(yīng)用報告，詳細介紹了如何設(shè)置系統(tǒng)。1

　　設(shè)計靈活性

　　一些制造商提供不帶集成處理器的驅(qū)動芯片，以允許熟悉特定 MCU 的設(shè)計人員使用該設(shè)備來監(jiān)督電路。或者，如上述 Fairchild 芯片的情況，一些供應(yīng)商允許設(shè)計人員通過添加功能更強大的外部 MCU 來覆蓋內(nèi)部處理器。

　　有傳感器和無傳感器 BLDC 電機的優(yōu)勢使它們越來越多地進入以前由傳統(tǒng)電機主導(dǎo)的應(yīng)用。雖然比后者更昂貴，但這筆前期費用可以抵消 BLDC 電機較低的維護成本和較長的使用壽命。

　　希望利用這些輕巧、緊湊且功能強大的電機的設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)，隨著主要芯片供應(yīng)商的芯片和設(shè)計工具的引入，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)計師在其設(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。

　　參考：

　　“ InstaSPIN? BLDC 實驗室”，德州儀器，應(yīng)用報告 SPRABN7，2011 年 11 月。