有關(guān)電機(jī)驅(qū)動算法的一些知識

電機(jī)驅(qū)動的最大難點(diǎn)在于成本和算法，其算法和精度及可靠性又密切相關(guān)。此外，電機(jī)能耗占世界能耗的一半左右，電機(jī)效率的提高，符合節(jié)能減排的要求。德州儀器(TI)公司半導(dǎo)體事業(yè)部市場推廣經(jīng)理李志林(圖1)強(qiáng)調(diào)，電機(jī)控制的核心在于它的控制算法：除了硬件之外，最重要的要求是如何用更優(yōu)異的算法去控制電機(jī)。

在我們的家庭里面，所有的家電除了電視機(jī)以外，幾乎都包含了電機(jī)：從抽油煙機(jī)、微波爐、灶具，燃?xì)鉄崴?、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)，再到硬盤、DVD機(jī)，全都和電機(jī)有關(guān)(圖2)。另外，在汽車當(dāng)中，所使用的電機(jī)數(shù)量達(dá)上百個(gè)之多。其中的很多產(chǎn)品(例如硬盤)，對電機(jī)控制的精度和可靠性要求非常之高。

算法和可靠性

李志林指出，國內(nèi)的家用電器廠商在電機(jī)的控制算法上處于弱勢;而至于硬件方面，根據(jù)不同要求集成不同的功能和硬件，可以提高產(chǎn)品的可靠性。另外，現(xiàn)在的一些電機(jī)驅(qū)動器件集成了MCU，這也是電機(jī)驅(qū)動的一個(gè)發(fā)展方向。根據(jù)不同的應(yīng)用需要，電機(jī)有很多的控制算法，包括：120度、150度或180度梯形波、FOC算法、無位置檢測、PID調(diào)節(jié)算法等。對于電機(jī)驅(qū)動的可靠性，需要設(shè)計(jì)各種保護(hù)，比如：熱保護(hù)、欠壓保護(hù)和防止導(dǎo)通的保護(hù)等。然而，在以往的電機(jī)驅(qū)動器中，幾乎難以找到過流保護(hù)(OCP)——這些器件對于這一保護(hù)而言，只能夠靠熱保護(hù)去響應(yīng)。

他介紹，TI有一個(gè)專門針對電機(jī)做控制算法的實(shí)驗(yàn)室Kilby Lab。該實(shí)驗(yàn)室致力于將算法做得更完善，把可靠性提上去。在可靠性方面，若采用熱保護(hù)的話，在溫度達(dá)到某一溫度(比如150度)時(shí)再直接關(guān)斷，響應(yīng)可能無法滿足實(shí)際需要：比如人為的短路，在發(fā)熱溫度檢測還來不及保護(hù)的時(shí)候就會燒毀。過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間太長的話，器件也容易被燒毀。另外，電機(jī)在起動的瞬間，沖擊電流特別大。若在此時(shí)執(zhí)行電流檢測的話，器件會實(shí)施過流保護(hù)。因此，設(shè)置一個(gè)關(guān)斷時(shí)間，把這個(gè)時(shí)間忽略掉，超過這個(gè)時(shí)間點(diǎn)以后，再做電流檢測，就可以繞開起動時(shí)的過流保護(hù)。

TI DRV8電機(jī)驅(qū)動系列的一個(gè)主要特點(diǎn)，就在于它的可靠性。另外，在DRV8系列中集成了MCU，這樣，大家在使用的時(shí)候，就不需要在外部再附加單片機(jī);或者，只需要用主處理器和驅(qū)動器通信，“告訴”它走幾步或者發(fā)一個(gè)命令即可。這樣便提高了電機(jī)驅(qū)動的易用性，而無需知道其后臺是如何操作的。對于TI而言，電機(jī)驅(qū)動的發(fā)展方向也就是如此——盡可能做到器件方便操作和易于使用。

細(xì)分和混合衰減模式

步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行細(xì)分控制。對于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器而言，可以將細(xì)分(1/8細(xì)分直到1/256細(xì)分)的索引表集成進(jìn)去。另外，可以通過設(shè)置控制字(例如1/8細(xì)分驅(qū)動)，在無細(xì)分、1/2細(xì)分、1/4細(xì)分和1/8細(xì)分之間進(jìn)行選擇。

步進(jìn)電機(jī)每加一個(gè)脈沖，便會走一步。當(dāng)沒有脈沖或者是脈沖關(guān)斷的時(shí)候，電流就會降下來，電機(jī)就會停步。但是由于電感很大，電流不能突變，這時(shí)便可以采用算法來控制電流的衰減速度。李志林談道，衰減模式可以分為慢衰減模式和快衰減模式。將慢衰減和快衰減模式結(jié)合起來(混合衰減模式)，便可以根據(jù)實(shí)際要求，對停步造成的系統(tǒng)噪聲和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平滑度進(jìn)行調(diào)整。

步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動的時(shí)候，電流波形最好是正弦波，因?yàn)檫@時(shí)的諧波分量較低、EMI較小且控制精度也較高。但在細(xì)分的時(shí)候，會遇到一個(gè)問題：過零點(diǎn)的失真會導(dǎo)致誤沖。這時(shí)，在驅(qū)動器中，可以采用動態(tài)的TBLANK(間隔時(shí)間)，來減小波形過零點(diǎn)的失真;另外，可以采用可調(diào)的混合衰減模式(比如先快后慢)，來減小di/dt過零時(shí)的電感放電失真。

漏源導(dǎo)通電阻RDS(ON)

某些電機(jī)驅(qū)動器當(dāng)中集成了MOSFET，這樣，其漏源導(dǎo)通電阻(RDS(ON))便決定了驅(qū)動器的發(fā)熱情況。對于一個(gè)5A的電機(jī)，所有的電流都將流過它的線圈。若芯片當(dāng)中集成了兩個(gè)H橋，在驅(qū)動的時(shí)候，就相當(dāng)于有兩個(gè)半橋在導(dǎo)通(兩個(gè)半橋相當(dāng)于4個(gè)MOSFET)。這樣，芯片的功耗就等于電流的平方乘以4RDS(ON)。因此，RDS(ON)越低，芯片的發(fā)熱量便越小。例如，TI的DVR8818就是一款RDS(ON)極低的驅(qū)動器件(上管與下管RDS(ON)之和為0.37Ω)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接口模式

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器大致有三種接口模式：PWM模式、Phase/Enable模式和Step/Direction模式。PWM模式即采用MCU程序進(jìn)行控制;Phase/Enable模式即輸出由相位(方向)和每個(gè)H橋的使能信號控制;Step/Direction模式則是根據(jù)脈沖和方向進(jìn)行控制。

李志林解釋道，某些傳統(tǒng)的驅(qū)動器的電流規(guī)格類似，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，接口模式卻不一樣。接口模式不一樣的話，在應(yīng)用過程中就需要修改軟件，因?yàn)檫@兩種模式要求CPU發(fā)出的PWM脈沖的占空比和個(gè)數(shù)都不一樣。這樣，若將兩種接口模式做成兼容，便可以采用一個(gè)管腳，選擇是采用Step/Direction模式還是采用Phase Enable模式，而不用再為其更改軟件(例如，DRV8834就是一種Step/Direction模式和Phase Enable模式可選的產(chǎn)品)。

無傳感器BLDC

有刷電機(jī)與直流無刷電機(jī)(BLDC)的區(qū)別在于是否具有碳刷。有刷電機(jī)通過在轉(zhuǎn)向器上刻上槽，用不同的炭刷去接觸而實(shí)現(xiàn)換向。而BLDC則沒有炭刷，因?yàn)樘克⒌拇嬖跁绊懫錂C(jī)械壽命。另外，有刷電機(jī)存在噪音——由于炭刷和不同的繞組之間存在絕緣點(diǎn)，有刷電機(jī)在切換的時(shí)候會打火。因此，將有刷電機(jī)替換為BLDC將會是一個(gè)趨勢，同時(shí)，其效率也非常高。

李志林介紹，有些BLDC風(fēng)扇采用霍爾器件來替換傳統(tǒng)的換向器。由于霍爾器件需要電源供電，引線的數(shù)量將會較多。同時(shí)，霍爾器件本身存在使用壽命。因此，在高溫和高可靠性的場合不宜采用霍爾器件。另外，霍爾器件體積的限制也決定了不可能把它放在其中。這種情況下，若采用無傳感器BLDC(即無換向檢測的BLDC)，應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)換向，就要看硬件的高招了。有很多的算法專門做這種BLDC的驅(qū)動，比如采用反電動勢檢測的方法來實(shí)現(xiàn)。

BLDC風(fēng)扇的要求在于：第一，起動沒有問題。雖然沒有相位檢測，但在任何情況下都能起動。第二，不能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的可能。這對可靠性的要求非常地高。TI的DRV10863便是一個(gè)雙向的BLDC驅(qū)動器。通過集成1安培的高/低端MOSFET，這款產(chǎn)品使用起來非常方便。另外，它集成的過流保護(hù)，可以方便調(diào)節(jié)過流保護(hù)點(diǎn)。DRV10863采用無傳感器BACK EMF控制方式去檢測相位，其電流波形接近于正弦波，并采用150度梯形波進(jìn)行調(diào)整。