ZHCAAK1B April 2018 – April 2021 DRV8304 , DRV8306 , DRV8320 , DRV8320R , DRV8323 , DRV8323R , DRV8350 , DRV8350R , DRV8353 , DRV8353R , MCT8316Z
1 应用简报
引言
无刷直流 (BLDC) 电机仍然是一种重要且应用日趋广泛的电机类型，与有刷直流 (BDC) 和步进电机相比具有许多性能优势。与 BDC 电机相比，BLDC 电机更高效、功率更高、扭矩更大、更安静、使用寿命更长且速度更快。如今，很多不同的产品都明确宣称采用了“无刷”技术。能够跟上市场趋势对于确保设计出在市场上受欢迎的产品而言非常重要，比如无线电动工具和园艺工具、无线吸尘器、无人机和遥控玩具、风扇和空气净化器以及自动百叶窗。
但是，在客户系统中实施 BLDC 电机仍然是许多产品设计团队难以逾越的瓶颈之一，尤其是在比较 BLDC 控制与 BDC 电机的复杂性时。即使是使用传感型梯形控制模式的系统也是如此，这将是本文档探讨的主要主题。
有刷直流系统
在一个典型的中等功耗有刷直流电机系统中，我们可以看到四个外部 MOSFET 和一个相关的 H 桥栅极驱动器（例如 DRV8701）。低压降稳压器 (LDO) 通过主电机电源为微控制器 (MCU) 和霍尔效应传感器产生 3.3V 电压（LDO 可集成到栅极驱动器中）。系统 MCU 获取输入（按钮、命令等）并使用两个输出，即一个方向信号（顺时针或逆时针旋转）和一个 PWM 信号（0% 到 100% 占空比，固定频率），来控制电机。霍尔效应传感器用于向 MCU 反馈电机速度。
图 1-1 有刷直流电机系统这种系统使用的控制环路可以是速度控制环路，也可以是位置/伺服控制环路。霍尔效应传感器输出频率与电机速度成正比，用于闭合速度控制环路。如果我们将积分器/累加器应用于霍尔效应传感器信号，就能够确定电机位置并操作位置控制环路。
图 1-2 有刷直流电机速度控制环路传统无刷直流系统
了解类似的 BLDC 系统后，我们就知道为什么工程师会对以相同方式实现无刷直流电机的复杂性感到担忧了。BLDC 控制的传统解决方案涉及三个 ½ H 桥栅极驱动器和六个外部 MOSFET。这些栅极驱动器具有 6 个 PWM 接口，因此每个 FET 都需要一个控制信号（总共六个输入信号）。无刷直流电机需要电气换向，这意味着系统负责通过按正确顺序为各相通电来保持电机旋转。对于包含传感器的控制方案，电机中集成了三个霍尔效应传感器以提供位置反馈。在一些电机中，霍尔效应传感器被霍尔元件取代，霍尔元件具有模拟输出，需要采用额外的比较器来实现正确的反馈。如图 1-3中所示，与有刷直流电机方案相比，MCU 在所需的输入和输出方面的要求显著增加。
图 1-3 传统无刷直流电机系统
经过简化的无刷直流系统
为了“简化”无刷直流系统，我们来研究一下 DRV8306 三相智能栅极驱动器。该器件集成了一个六步（梯形）换向表，以便 DRV8306能够控制无刷直流电机换向。这减轻了 MCU 的处理需求，并减少了 MCU 上所需的 GPIO 数量。通过集成换向表，DRV8306 器件可实现 BLDC 设计，就像有刷直流电机系统使用方向和 PWM 命令进行控制一样简单。DRV8306 还集成了霍尔元件比较器，故无需额外的比较器或电路即可与霍尔效应传感器或霍尔元件一起使用。所有三个霍尔信号都集合在 DRV8306 中，向 MCU 发送一个速度反馈信号。
图 1-4 经过简化的无刷直流电机系统我们在图 1-5 中看到，由栅极驱动器负责电机换向后，控制环路与有刷直流电机的控制环路类似。
这样可实现复杂性更低且易于控制的系统。对于上述有刷直流电机系统示例和这个经过简化的无刷直流电机示例，MCU 的电机控制要求是相同的。
图 1-5 经过简化的无刷直流电机速度控制环路结论
设计复杂性是无法在产品中实现无刷直流电机的常见原因，虽然对于传统无刷直流系统来说确实如此，但诸如 DRV8306 之类的器件可简化无刷直流电机控制模式，实现与有刷直流系统类似的控制复杂性。