【導(dǎo)讀】從遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 控制的車(chē)庫(kù)開(kāi)門(mén)器和車(chē)窗到衛(wèi)星推進(jìn)控制器，無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)越來(lái)越多地用于許多不同的應(yīng)用。對(duì)于BLDC電機(jī)，設(shè)計(jì)人員面臨的問(wèn)題是驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的控制算法很復(fù)雜，而且往往是專(zhuān)用的。這使得一般工程師很難在合理時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)行這種電機(jī)。
開(kāi)發(fā)人員通常只能選擇在微控制器上運(yùn)行的基于軟件的解決方案（這是一種靈活的軟件解決方案，但也給微控制器帶來(lái)了計(jì)算負(fù)擔(dān)），或者使用專(zhuān)用集成電路 (IC)。后者封裝了完整的BLDC電機(jī)控制功能，并將BLDC控制從主機(jī)轉(zhuǎn)移到其中。
本文首先討論基于微控制器的軟件解決方案和專(zhuān)用硬件芯片解決方案之間的區(qū)別，隨后深入探討如何使用Allegro MicroSystems的A4964KJPTR-T——專(zhuān)為簡(jiǎn)化汽車(chē)應(yīng)用BLDC電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本文將展示如何與A4964KJPTR-T交互，以及一些避免意外行為的最佳做法。
BLDC電機(jī)極簡(jiǎn)介紹
BLDC電機(jī)在廣泛的速度范圍內(nèi)提供高效扭矩輸送，噪音小，沒(méi)有有刷電機(jī)的機(jī)械摩擦。BLDC電機(jī)由電流而非電壓控制，用途廣泛，其形狀、尺寸和成本也因應(yīng)用不同而各異。
例如，TRINAMIC Motion Control的QBL4208-41-04-006是一款24V、4000RPM的電機(jī)，可提供高達(dá)0.06Nm的扭矩（圖1）。該電機(jī)很輕巧（0.662lb），并為開(kāi)發(fā)人員提供了多種電機(jī)控制選擇，如通過(guò)使用反電動(dòng)勢(shì) (BEMF) 的無(wú)傳感器操作，或使用能報(bào)告位置的內(nèi)置傳感器。
圖1：QBL4208-41-04-006是一款24V、4000RPM BLDC電機(jī)，最高速度下可提供略高于0.06Nm的扭矩。（圖片來(lái)源：TRINAMIC Motion Control GmbH）
如需更大扭矩，設(shè)計(jì)人員可以使用QBL4208-41-04-025，這款電機(jī)也是來(lái)自TRINAMIC Motion Control（圖2）。這是一款24V、4000RPM BLDC電機(jī)，可提供略高于0.25Nm的扭矩。
圖2：TRINAMIC Motion Control的QBL4208-41-04-025是一款24V、4000 RPM BLDC電機(jī)，最高速度下可提供略高于0.25Nm的扭矩。（圖片來(lái)源：TRINAMIC Motion Control GmbH）
BLDC電機(jī)通過(guò)三相線(xiàn)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)再推動(dòng)永久磁鐵，使轉(zhuǎn)子移動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。
理論上，這聽(tīng)起來(lái)很容易，但實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)相當(dāng)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)人員只能選擇使用軟件框架來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，或者選擇專(zhuān)用芯片解決方案。
軟件與專(zhuān)用芯片解決方案
在解決如何轉(zhuǎn)動(dòng)BLDC電機(jī)的問(wèn)題時(shí)，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該考慮若干因素。這些因素基本上可歸結(jié)為：
● BOM成本與人工成本
● 電路板復(fù)雜性與軟件復(fù)雜性
● 維護(hù)時(shí)間和成本
從硬件的角度來(lái)看，走軟件路線(xiàn)可能非常有吸引力，因?yàn)閷?zhuān)用芯片解決方案會(huì)給BOM增加一些額外的成本。若不使用專(zhuān)用芯片，則能去掉該成本，花很少的錢(qián)去買(mǎi)微控制器，把所有控制算法放進(jìn)該微控制器里。這似乎是雙贏的做法，但團(tuán)隊(duì)往往沒(méi)考慮到該決定的全部后果。
是的，BOM成本降低了，但微控制器上增加了額外負(fù)擔(dān)，要處理BLDC狀態(tài)數(shù)據(jù)并持續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如果微控制器還要對(duì)其他傳感器進(jìn)行采樣、與無(wú)線(xiàn)電通信以及控制其他設(shè)備，那么稍不注意，軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本就可能突飛猛漲。
不過(guò)，微控制器中基于軟件的解決方案具備靈活性，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)可以微調(diào)其電機(jī)控制算法。使用軟件也并不意味著事情總會(huì)趨于極度復(fù)雜。
例如，通常情況下，將電機(jī)控制算法移入微控制器會(huì)占用更多的RAM，并需要大量閃存。然而，如果團(tuán)隊(duì)使用專(zhuān)為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的微控制器，如Texas Instruments的F280049CRSHSR電機(jī)控制微控制器，算法已內(nèi)置在微控制器ROM的庫(kù)中。這意味著向應(yīng)用程序添加的額外代碼只有對(duì)庫(kù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的函數(shù)調(diào)用，所有繁重的工作都由該庫(kù)完成。
不過(guò)，轉(zhuǎn)動(dòng)BLDC電機(jī)不僅是軟件的問(wèn)題，還需要硬件。圖3顯示了使用C2000微控制器的應(yīng)用實(shí)例，其中F280049CRSHSR是該系列的成員。此圖說(shuō)明了驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)所需的一切以及可選項(xiàng)。除了微控制器，還需要某種三相功率級(jí)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)的三個(gè)相位，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖3：Texas Instruments的C2000微控制器專(zhuān)為電機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)。此圖為應(yīng)用實(shí)例，中間是微控制器，其余為驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)的必需和可選電路。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
利用微控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)疑具有吸引力，但專(zhuān)用硬件解決方案怎么樣呢？我們來(lái)看看Allegro MicroSystems的A4964KJPTR-T電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片。
Allegro MicroSystems的A4964KJPTR-T電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
Allegro MicroSystems的A4964KJPTR-T電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是專(zhuān)用BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中包含了驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的所有能力（圖4）。該芯片專(zhuān)為汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并與N溝道MOSFET搭配使用，具有無(wú)傳感器啟動(dòng)和換向功能，因此需要的外部硬件極少。A4964KJPTR-T的工作電壓范圍也很廣，從5.5V至50V，不僅適用于汽車(chē)系統(tǒng)，而且?guī)缀鹾w了所有標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。
A4964KJPTR-T最引人注目的特性或許是，它能通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 與微控制器或中央電子控制單元 (ECU) 相連接，以配置電機(jī)運(yùn)行的各種寄存器。顯然，該微控制器不需要像運(yùn)行電機(jī)控制算法本身的微控制器那樣強(qiáng)大。
圖4：A4964KJPTR-T BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作電壓為5.5V至50V，提供無(wú)傳感器啟動(dòng)和換向。電機(jī)速度可通過(guò)SPI或?qū)Ｓ肞WM信號(hào)進(jìn)行配置。（圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems）
另外，很有意義的是，A4964KJPTR-T電機(jī)速度也可以在沒(méi)有SPI的情況下驅(qū)動(dòng)，只需提供脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)即可。它有非易失性存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)電機(jī)設(shè)置，上電時(shí)加載這些設(shè)置，允許只用PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)。
從配置角度而言，A4964KJPTR-T有32個(gè)可尋址16位寄存器，外加一個(gè)狀態(tài)寄存器。狀態(tài)寄存器很獨(dú)特，每次SP讀/寫(xiě)操作時(shí)傳輸前5位，以便軟件可以檢查一般狀態(tài)，了解是否有任何故障或問(wèn)題。對(duì)芯片執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，A4964KJPTR-T不會(huì)回傳數(shù)據(jù)，因此可以讀取所有狀態(tài)寄存器。
在32個(gè)可尋址寄存器中，還有兩個(gè)特殊寄存器。寄存器30是只寫(xiě)寄存器，寄存器31是只讀寄存器。只寫(xiě)寄存器允許開(kāi)發(fā)人員以0 – 1023之間的值設(shè)置需求輸入，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)的占空比速率。只讀寄存器的數(shù)據(jù)根據(jù)寫(xiě)入寄存器29（即回讀選擇寄存器）的請(qǐng)求數(shù)據(jù)而改變。該寄存器允許檢索各種遙測(cè)信息，例如：
● 診斷
● 電機(jī)速度
● 平均供電電流
● 供電電壓
● 芯片溫度
● 需求輸入
● 應(yīng)用的橋峰值占空比
● 應(yīng)用的相位前移
除了這些特殊寄存器，其余30個(gè)寄存器允許對(duì)具體的電機(jī)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，并允許使能或禁用故障，如限流和柵極驅(qū)動(dòng)故障。
專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器很有意義，其將運(yùn)行電機(jī)所需的各種配置都存儲(chǔ)在幾十個(gè)配置寄存器中。這極大地消除了微控制器原本會(huì)產(chǎn)生的軟件開(kāi)銷(xiāo)，也許更重要的是，還極大地降低了軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本。驅(qū)動(dòng)BLDC不過(guò)是發(fā)送PWM（這不會(huì)造成微控制器的任何開(kāi)銷(xiāo)），或者使能電機(jī)位并提供基于SPI的需求輸入來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)BLDC。
A4964KJPTR-T使用技巧與訣竅
A4964KJPTR-T的連接很簡(jiǎn)單，以下是開(kāi)發(fā)人員應(yīng)牢記的幾個(gè)“技巧與訣竅”，可以簡(jiǎn)化和加快他們的開(kāi)發(fā)，例如：
● 狀態(tài)寄存器在每次寫(xiě)入芯片時(shí)都會(huì)通過(guò)SPI接口返回，而不是用作專(zhuān)門(mén)的可尋址寄存器。這意味著驅(qū)動(dòng)代碼在寫(xiě)入芯片時(shí)需要監(jiān)控SPI總線(xiàn)SDO線(xiàn)路以獲得狀態(tài)信息。
● 故障信息包括在狀態(tài)寄存器中，但當(dāng)微控制器提供地址訪(fǎng)問(wèn)信息時(shí)，在前五位中可以看到每次SPI事務(wù)的芯片狀態(tài)概覽。此數(shù)據(jù)可用于確定是否出現(xiàn)任何問(wèn)題。
● 存儲(chǔ)器映射中有兩個(gè)獨(dú)特的寄存器，一個(gè)只讀，一個(gè)只寫(xiě)。這很簡(jiǎn)單，但要注意不要試圖讀取只寫(xiě)寄存器，這樣做會(huì)把讀序列中的任何偽數(shù)據(jù)寫(xiě)入該寄存器中。
● 該芯片有非易失性存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)默認(rèn)參數(shù)。這些參數(shù)被加載到RAM中，并在啟動(dòng)時(shí)使用。為確保芯片最有效地啟動(dòng)進(jìn)入就緒狀態(tài)，應(yīng)將“安全”啟動(dòng)值寫(xiě)入芯片。
● 如果終端設(shè)備在嘈雜或重輻射環(huán)境中使用，那么設(shè)計(jì)應(yīng)用程序代碼定期重新確認(rèn)配置數(shù)據(jù)是不錯(cuò)的主意。芯片配置存儲(chǔ)在RAM中，這意味著它很容易受到宇宙射線(xiàn)、位反轉(zhuǎn)以及所有可能發(fā)生在電子產(chǎn)品中的奇怪、罕見(jiàn)事件的影響。
本文小結(jié)
用于汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)或其他應(yīng)用的BLDC電機(jī)實(shí)現(xiàn)相當(dāng)普遍，但驅(qū)動(dòng)會(huì)很復(fù)雜。為了應(yīng)對(duì)軟件復(fù)雜性，開(kāi)發(fā)人員可以使用專(zhuān)用BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，如A4964KJPTR-T，其中封裝了所有電機(jī)控制功能。
雖然仍然需要軟件與芯片交互，但運(yùn)行軟件的微控制器只需要設(shè)定配置設(shè)置，A4964KJPTR-T就會(huì)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。嘗試使用A4964KJPTR-T時(shí)，開(kāi)發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，遵循所提供的“技巧與訣竅”可以幫助節(jié)省不少時(shí)間，避免許多麻煩。
來(lái)源：DigiKey，作者：Jacob Beningo
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