简化三相无刷直流电机控制和驱动系统的策略

高度集成的半导体产品不仅是消费类产品的潮流，同时也逐步渗透至电机控制应用。与此同时，无刷直流(BLDC)电机在汽车和医疗应用等众多市场中也呈现出相同态势，其所占市场份额正逐渐超过其他各类电机。随着对BLDC电机需求的不断增长以及相关电机技术的日渐成熟，BLDC电机控制系统的开发策略已逐渐从分立式电路发展成三个不同的类别。这三类主要方案划分为片上系统(SoC)、应用特定的标准产品(ASSP)和双芯片解决方案。

这三类主要方案均能减少应用所需的元件数并降低设计复杂度，因此正逐渐受到电机系统设计工程师的青睐。不过，每种策略都有其各自的优缺点。本文将论述这三种方案及其如何在设计的集成度和灵活性之间做出权衡。

图1：典型的分立式BLDC电机系统框图

基本电机系统包含三个主要模块：电源、电机驱动器和控制单元。图1给出了传统的分立式电机系统设计。电机系统通常包含一个简单的带集成闪存的RISC处理器，此处理器通过控制栅极驱动器来驱动外部MOSFET。该处理器也可以通过集成的MOSFET和稳压器(为处理器和驱动器供电)来直接驱动电机。

SoC电机驱动器集成了上述所有模块，并且具有可编程性，能够适用于各类应用。此外，它还是因空间受限而需要优化的应用的理想选择。但是，其处理性能较低且内部存储空间有限，因此无法应用于需要高级控制的电机系统。SoC电机驱动器IC的另一个缺点是开发工具有限，例如缺乏固件开发环境。大多数业界领先的单片机供应商均提供种类繁多的易用工具，这一点与之形成鲜明对比。

ASSP电机驱动器面向某一特定领域设计，一切都针对某个狭义应用而优化。其占用空间极小且无需软件调节。此外，它还是空间受限应用的理想选择。图2给出了10引脚DFN风扇电机驱动器的框图。由于ASSP电机驱动器通常专注于大批量生产应用，因此往往拥有出色的性价比。不过，这并不意味着依靠ASSP 驱动器运行的电机需要牺牲性能。例如，大多数现代ASSP电机驱动器能够驱动采用无传感器和正弦算法的BLDC电机，而过去则需要使用高性能单片机才能实现这一点。但是，ASSP产品缺乏可编程性且不能调节驱动强度，这会限制其适应日益变化的市场需求的能力。

图2：独立式风扇电机驱动器框图

尽管高集成度是当今电子产品的一大趋势，但仍有大量应用对具有丰富模拟驱动器和智能模拟单片机的双芯片解决方案的需求不断增长。双芯片策略允许设计人员从各种单片机中进行选型，支持采用梯形或正弦驱动技术的有传感器换向或无传感器换向。采用此方案时，配套驱动器芯片的选择至关重要。理想的配套芯片至少应包含以下特性：

高效的可调节稳压器，用于降低功耗并为各类单片机供电

监视和后台处理模块，确保电机安全运行并允许主机与驱动器之间进行双向通信

可优化性能的可选参数，无需投入额外的编程工作量

适用于MOSFET或BLDC电机的额定功率驱动器