如何实现永磁同步电机的无 MCU 正弦控制

这两种电机类型的主要区别在于定子绕组的结构。因此，对于BLDC，理想情况下使用相对容易创建的梯形波形进行换向。

相比之下，PMSM（主图）需要更复杂的正弦换向波形。

虽然它需要更复杂的波形，但PMSM 受益于较低的扭矩纹波和较低的可闻噪声。因此，它通常是高端家用电器、电动工具和工业自动化等需要平稳安静运动的应用中的首选电机类型。

从历史上看，正弦波换向是使用在微控制器单元(MCU) 固件中实现的算法来处理的，这些算法需要进行广泛的优化和微调才能与所选电机一起工作并满足应用程序的要求。此外，MCU 的性能必须足以执行控制算法达到所需的最大速度，同时还要处理应用程序级处理。

位置感测和软启动

与有刷电机不同，无论转子上次停止在何处，只需施加电源即可确保正确的线圈接合以启动电机，而启动和运行BLDC 电机需要了解当前转子位置。这是允许适当的线圈被激励并且转子开始以正确的方向旋转所需要的。传感器通常安装在无刷电机上以检测该位置。或者，无传感器设置可以节省费用和与传感器（例如霍尔设备）相关的潜在可靠性问题。

在这种情况下，需要在给线圈通电之前将固定转子移动到已知起始位置的技术。如果没有适当的预防措施，转子和任何附着在转子上的东西都可能会朝错误的方向回弹。

当线圈通电时，必须以一种方式进行，以防止PWM 开关在没有可用的反电动势可用于确定转子角度的时间内产生过多的噪音和振动。本质上，电机控制算法正在盲目驱动电机。一旦有足够的反电动势可用，电机控制器就可以切换到所选的控制方法。

微调驱动器

然而，启动电机和选择速度的能力只是正常运行所需功能的一部分。电机驱动设计人员必须能够灵活地将控制器与适合应用的额定电压和额定功率的MOSFET 集成。他们还需要能够优化参数（例如加速度、超前角和 PWM 频率），以确保系统能够根据需要响应用户的输入，并在所有操作条件下最大限度地提高能效。

实现无MCU 控制

东芝开发的TC78B011FTG 正弦波预驱动器消除了对 MCU 的任何需求。这种用于无传感器三相无刷电机控制的可参数化芯片是一个脉宽调制 (PWM) 斩波器，可以连接到外部低侧和高侧 N 沟道 MOSFET，从而实现可扩展的逆变器实施以匹配一系列不同的电机。

虽然该设备提供开环速度控制，但更典型的要求是保持目标速度不受电源或负载变化的影响，并具有可调速度曲线的闭环控制。这可以通过I2C 接口配置精确的工作模式来实现，并可选择将设置存储在非易失性存储器 (NVM) 中。因此，可以在制造过程中为不使用微控制器或处理器的电路编程适当的设置。

另一方面，电机速度可以通过芯片的I2C 接口写入寄存器来调整，也可以使用 PWM 输入或模拟信号来确定。

制动和方向也通过寄存器设置或外部引脚控制。当电机运行时，可以从外部引脚读取电机电流和转速。

更准确的定位

上电后，IC 从其 NVM 中检索存储的设备配置。此时，可以通过电机逆变器短接适当的线圈来应用制动序列，以确保转子在尝试开始旋转之前是静止的。初始化序列完成后，大约 3.5 毫秒后，驱动器进入空闲模式，所有 MOSFET 均关闭，并等待来自主机系统的进一步指令。

所需的速度可以通过I2C 定义到速度命令寄存器 (SPD) 或作为 PWM 或模拟信号应用到 SPD 引脚。当收到其中任何一个时，电机启动序列就会启动。该过程从电机线圈的直流励磁开始，将转子移动到起始位置。完成后，电机的强制换向开始。在此阶段，在 120° 换向中施加粗电场以产生初始反电动势。还包括可配置的软启动功能，可限制电机旋转时消耗的电流。这个阶段的所有速度控制都是开环的。

一旦电机旋转足够快以产生可用于控制算法的反电动势，系统就会更改为无传感器控制，并为正常操作设置电流限制。然后可以进行闭环速度控制。

转子可能在通电之前已经在旋转，这可能是由于空气经过风扇叶片等原因造成的。在这种情况下，称为空转或风车，电机驱动器将跳过初始励磁和强制换向步骤，直接进行无传感器操作。在典型应用中，反电动势测量能力在这种情况下可能过于敏感，导致驱动器错误地尝试跳过第一个开环启动阶段。TC78B011FTG 能够通过提供一个寄存器来防止这种情况发生，该寄存器允许设计人员更改被认为足够快以跳过启动过程的最小转子速度。

或者，为了避免与启动空转电机相关的挑战，控制器可以配置为在每次离开待机状态或通电后应用制动序列，使转子始终从停止状态启动。

更大的可调节性

为了在闭环模式下实现灵活的速度控制，该IC 提供了寄存器，用于设置每一步速度变化之间的时间，并用于确定速度变化的发生速度。支持的速度设置可通过启动、停止和最大占空比的单独控制进行配置。还可以设置与起始值和最大值相关联的 RPM（如下所示），并且可以定义起始 RPM 和最大 RPM 之间的最多两个速度斜率。

可以设置最小和最大速度。并提供两种不同的速度斜率

用于PWM 输出的频率可以固定或设置为随着电机速度的增加而自动增加以获得最佳效率。可用频率范围介于 23.4kHz 和 187.5kHz 之间。

调整PWM 频率还有助于设计人员确保符合与应用相关的电磁兼容性 (EMC) 要求。

还有一个寄存器用于根据电机的特性调整超前角，这有助于优化能源效率并最大限度地减少可闻噪声。为了尽可能安静地运行，可以设置超前角，使反电动势和电机电流同相。

该IC 包含三个用于外部 N 沟道 MOSFET 的半桥预驱动器。它们可以提供比电机电源电压高出高达 8V 的栅源 (VGSS) 电压，并且可以配置为为高侧和低侧 MOSFET 提供 10mA 至 100mA 的栅源 (IGSS) 电流。

最高可用开关频率可能会受到MOSFET 选择和使用的电机的限制。由于在 PWM 关闭期间测量反电动势以进行位置感测，因此选择高电感电机或选择开关性能低的 MOSFET 会导致位置检测失败。为避免这种情况，可以通过在所有使用条件下测试合适的设置来确定最佳 PWM 频率。

该芯片还具有安全功能，包括通过可配置死区时间防止直通。状态寄存器指示异常情况，包括电流消耗过大、电荷泵电压低、热关断和启动失败。当任何这些情况出现时，都会设置一个警报引脚。该引脚还用于指示欠压和超出预设最大和最小速度的电机运行。控制器可以编程为在检测到异常情况后等待来自外部源的信号，或者尝试在自动恢复模式下重新启动电机。

结 论

设计人员可以利用BLDC 电机，尤其是平稳安静的 PMSM 类型，而无需着手进行 MCU 开发项目。

他们可以利用具有闭环控制和可参数化速度设置的独立操作功能的可编程控制器。

具有东芝TC78B011 IC 和精选 MOSFET 的 MikroE 板现已可用于评估目的，将有助于促进电机系统开发过程。