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從遠程物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 控制的車(chē)庫開(kāi)門(mén)器和車(chē)窗到衛星推進(jìn)控制器，無(wú)刷直流 (BLDC) 電機越來(lái)越多地用于許多不同的應用。對于 BLDC 電機，設計人員面臨的問(wèn)題是驅動(dòng)電機所需的控制算法很復雜，而且往往是專(zhuān)用的。這使得一般工程師很難在合理時(shí)間內啟動(dòng)并運行這種電機。 開(kāi)發(fā)人員通常只能選擇在微控制器上運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)了計算負擔），或者使用專(zhuān)用集成電路 (IC)。后者封裝了完整的 BLDC 電機控制功能，并將 BLDC 控制從主機轉移到其中。 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)應用 BLDC 電機控制而設計的電機驅動(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 電機極簡(jiǎn)介紹 BLDC 電機在廣泛的速度范圍內提供高效扭矩輸送，噪音小，沒(méi)有有刷電機的機械摩擦。BLDC 電機由電流而非電壓控制，用途廣泛，其形狀、尺寸和成本也因應用不同而各異。 例如，TRINAMIC Motion Control 的 QBL4208-41-04-006 是一款 24 V、4000 RPM 的電機，可提供高達 0.06 Nm 的扭矩（圖 1）。該電機很輕巧（0.662 lb），并為開(kāi)發(fā)人員提供了多種電機控制選擇，如通過(guò)使用反電動(dòng)勢 (BEMF) 的無(wú)傳感器操作，或使用能報告位置的內置傳感器。 
圖 1：QBL4208-41-04-006 是一款 24 V、4000 RPM BLDC 電機，最高速度下可提供略高于 0.06 Nm 的扭矩。（圖片來(lái)源：TRINAMIC Motion Control GmbH） 如需更大扭矩，設計人員可以使用 QBL4208-41-04-025，這款電機也是來(lái)自 TRINAMIC Motion Control（圖 2）。這是一款 24 V、4000 RPM BLDC 電機，可提供略高于 0.25 Nm 的扭矩。
圖 2：TRINAMIC Motion Control 的 QBL4208-41-04-025 是一款 24 V、4000 RPM BLDC 電機，最高速度下可提供略高于 0.25 Nm 的扭矩。（圖片來(lái)源：TRINAMIC Motion Control GmbH） BLDC 電機通過(guò)三相線(xiàn)驅動(dòng)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)再推動(dòng)永久磁鐵，使定子移動(dòng)并轉動(dòng)電機。 理論上，這聽(tīng)起來(lái)很容易，但實(shí)際上，驅動(dòng) BLDC 電機相當復雜，開(kāi)發(fā)人員只能選擇使用軟件框架來(lái)驅動(dòng)電機，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 在解決如何轉動(dòng) BLDC 電機的問(wèn)題時(shí)，開(kāi)發(fā)人員應該考慮若干因素。這些因素基本上可歸結為： · BOM 成本與人工成本 · 電路板復雜性與軟件復雜性 · 維護時(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，因為專(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(yíng)的做法，但團隊往往沒(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擔，要處理 BLDC 狀態(tài)數據并持續驅動(dòng)電機。如果微控制器還要對其他傳感器進(jìn)行采樣、與無(wú)線(xiàn)電通信以及控制其他設備，那么稍不注意，軟件開(kāi)發(fā)和維護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，因為團隊可以微調其電機控制算法。使用軟件也并不意味著(zhù)事情總會(huì )趨于極度復雜。 例如，通常情況下，將電機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，如果團隊使用專(zhuān)為電機控制而設計的微控制器，如 Texas Instruments 的 F280049CRSHSR 電機控制微控制器，算法已內置在微控制器 ROM 的庫中。這意味著(zhù)向應用程序添加的額外代碼只有對庫進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的函數調用，所有繁重的工作都由該庫完成。 不過(guò)，轉動(dòng) BLDC 電機不僅是軟件的問(wèn)題，還需要硬件。圖 3 顯示了使用 C2000 微控制器的應用實(shí)例，其中 F280049CRSHSR 是該系列的成員。此圖說(shuō)明了驅動(dòng) BLDC 電機所需的一切以及可選項。除了微控制器，還需要某種三相功率級，用來(lái)驅動(dòng) BLDC 電機的三個(gè)相位，使電機轉動(dòng)。
圖 3：Texas Instruments 的 C2000 微控制器專(zhuān)為電機控制應用而設計。此圖為應用實(shí)例，中間是微控制器，其余為驅動(dòng) BLDC 電機的必需和可選電路。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 利用微控制器驅動(dòng)電機無(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 電機驅動(dòng)器芯片。 Allegro MicroSystems 的 A4964KJPTR-T 電機驅動(dòng)器 Allegro MicroSystems 的 A4964KJPTR-T 電機驅動(dòng)芯片是專(zhuān)用 BLDC 電機驅動(dòng)器，其中包含了驅動(dòng)電機所需的所有能力（圖 4）。該芯片專(zhuān)為汽車(chē)應用而設計，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 5.5 V 至 50 V，不僅適用于汽車(chē)系統，而且幾乎涵蓋了所有標準應用。 A4964KJPTR-T 最引人注目的特性或許是，它能通過(guò)串行外設接口 (SPI) 與微控制器或中央電子控制單元 (ECU) 相連接，以配置電機運行的各種寄存器。顯然，該微控制器不需要像運行電機控制算法本身的微控制器那樣強大。
圖 4：A4964KJPTR-T BLDC 電機驅動(dòng)器工作電壓為 5.5 V 至 50 V，提供無(wú)傳感器啟動(dòng)和換向。電機速度可通過(guò) SPI 或專(zhuān)用 PWM 信號進(jìn)行配置。（圖片來(lái)源：Allegro MicroSystems） 另外，很有意義的是，A4964KJPTR-T 電機速度也可以在沒(méi)有 SPI 的情況下驅動(dòng)，只需提供脈沖寬度調制 (PWM) 信號即可。它有非易失性存儲器可以存儲電機設置，上電時(shí)加載這些設置，允許只用 PWM 信號來(lái)控制電機。 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)寄存器很獨特，每次 SPI 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。對芯片執行寫(xiě)操作時(shí)，A4964KJPTR-T 不會(huì )回傳數據，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 之間的值設置需求輸入，即驅動(dòng)電機的占空比速率。只讀寄存器的數據根據寫(xiě)入寄存器 29（即回讀選擇寄存器）的請求數據而改變。該寄存器允許檢索各種遙測信息，例如： · 診斷 · 電機速度 · 平均供電電流 · 供電電壓 · 芯片溫度 · 需求輸入 · 應用的橋峰值占空比 · 應用的相位前移 除了這些特殊寄存器，其余 30 個(gè)寄存器允許對具體的電機應用進(jìn)行調整，并允許使能或禁用故障，如限流和柵極驅動(dòng)故障。 專(zhuān)用電機驅動(dòng)器很有意義，其將運行電機所需的各種配置都存儲在幾十個(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)和維護成本。驅動(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)），或者使能電機位并提供基于 SPI 的需求輸入來(lái)轉動(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(zhù)驅動(dòng)代碼在寫(xiě)入芯片時(shí)需要監控 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。此數據可用于確定是否出現任何問(wèn)題。 · 存儲器映射中有兩個(gè)獨特的寄存器，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據寫(xiě)入該寄存器中。 · 該芯片有非易失性存儲器，可用于存儲默認參數。這些參數被加載到 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)，應將“安全”啟動(dòng)值寫(xiě)入芯片。 · 如果終端設備在嘈雜或重輻射環(huán)境中使用，那么設計應用程序代碼定期重新確認配置數據是不錯的主意。芯片配置存儲在 RAM 中，這意味著(zhù)它很容易受到宇宙射線(xiàn)、位反轉以及所有可能發(fā)生在電子產(chǎn)品中的奇怪、罕見(jiàn)事件的影響。 結語(yǔ) 用于汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)或其他應用的 BLDC 電機實(shí)現相當普遍，但驅動(dòng)會(huì )很復雜。為了應對軟件復雜性，開(kāi)發(fā)人員可以使用專(zhuān)用 BLDC 電機驅動(dòng)器，如 A4964KJPTR-T，其中封裝了所有電機控制功能。 雖然仍然需要軟件與芯片交互，但運行軟件的微控制器只需要設定配置設置，A4964KJPTR-T 就會(huì )負責驅動(dòng)電機。嘗試使用 A4964KJPTR-T 時(shí)，開(kāi)發(fā)人員會(huì )發(fā)現，遵循所提供的“技巧與訣竅”可以幫助節省不少時(shí)間，避免許多麻煩。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Jacob Beningo |
