如何轻松设计三相 BLDC 电机的正弦无传感器控制

您是否曾想过，三相 BLDC 电机控制解决方案的开发可以像使用模拟 IC 构建应用电路一样简单，添加一些分立无源元件即可完成任务?有没有一种解决方案可以消除复杂的电机控制软件开发的负担?

为了回答这些问题，让我们首先深入了解并使用现成的标准组件虚拟构建正弦无传感器电机控制的系统框图。正弦、无传感器控制需要复杂的 16 位和/或 32 位微控制器 (MCU)，时钟频率在 ~25MHz-50MHz 范围内，集成多通道 10 位 ADC，带 16 位计数器的 PWM 模块，串行用于监控的通信能力和实时调试支持。MCU 及其嵌入式软件对电机控制系统执行非常重要的功能。基于通过 ADC 感测的电机电压和电流信号，它求解控制算法的数学方程，并生成旋转电机所需的 PWM 控制信号。当然，MCU 产生的 PWM 信号不能直接用于驱动电机，因为这些信号大多是 3.3-V/5-V 电平信号，没有太多的电流驱动强度。这些信号在将它们应用到三相 H 桥之前需要通过前置栅极驱动器进行放大。虽然三相 H 桥实际上为电机提供所需的电压和电流，但前置栅极驱动器部分执行两项重要任务：(1) 为 FET 栅极提供所需的峰值电流，以便在该范围内快速打开/关闭它们10 kHz-30 kHz 和 (2) 电平转换三个高端 FET 的 PWM 信号。这些是 BLDC 电机控制系统最重要的构建模块(如图 1 所示)，但这些模块不足以构建完整的解决方案。这些信号在将它们应用到三相 H 桥之前需要通过前置栅极驱动器进行放大。虽然三相 H 桥实际上为电机提供所需的电压和电流，但前置栅极驱动器部分执行两项重要任务：(1) 为 FET 栅极提供所需的峰值电流，以便在该范围内快速打开/关闭它们10 kHz-30 kHz 和 (2) 电平转换三个高端 FET 的 PWM 信号。这些是 BLDC 电机控制系统最重要的构建模块(如图 1 所示)，但这些模块不足以构建完整的解决方案。这些信号在将它们应用到三相 H 桥之前需要通过前置栅极驱动器进行放大。虽然三相 H 桥实际上为电机提供所需的电压和电流，但前置栅极驱动器部分执行两项重要任务：(1) 为 FET 栅极提供所需的峰值电流，以便在该范围内快速打开/关闭它们10 kHz-30 kHz 和 (2) 电平转换三个高端 FET 的 PWM 信号。这些是 BLDC 电机控制系统最重要的构建模块(如图 1 所示)，但这些模块不足以构建完整的解决方案。(1) 为 FET 栅极提供所需的峰值电流，以便在 10 kHz-30 kHz 范围内快速打开/关闭它们;(2) 对三个高侧 FET 的 PWM 信号进行电平转换。这些是 BLDC 电机控制系统最重要的构建模块(如图 1 所示)，但这些模块不足以构建完整的解决方案。(1) 为 FET 栅极提供所需的峰值电流，以便在 10 kHz-30 kHz 范围内快速打开/关闭它们;(2) 对三个高侧 FET 的 PWM 信号进行电平转换。这些是 BLDC 电机控制系统最重要的构建模块(如图 1 所示)，但这些模块不足以构建完整的解决方案。

例如，要从高压直流向 MCU 提供 3.3 或 5V 的直流电源，为栅极驱动器生成 12V 的电压，就需要一个 dc-dc 转换器。同样，需要感测直流母线电压以有效运行控制算法、保护功能和电机电流。使用电阻分压器可以直接进行电压检测，但电流检测在系统中增加了外部分流电阻器和差分放大器。

现在想象一下，使用分立的现成设备转换为实际设计。完成原理图需要几页原理图和几天的时间。然后，完成布局并构建 PCB 将需要数周时间，而软件开发则需要数周时间。软件开发意味着为无传感器、磁场定向控制算法及其相关数学块、Clarke/Park 变换、空间矢量调制 (SVPWM)、比例 + 积分 (PI) 控制器和速度/位置观测器构建源代码。因此，正如您所见，开发电机控制解决方案可能非常复杂且具有挑战性。

直到，您找到 TI 的DRV10983。该 IC 为三相 BLDC 电机的正弦无传感器控制提供了一个完整的单芯片系统解决方案。DRV10983能够在 24Vdc 下提供高达 2A 的连续驱动电流。

基于 FET 的三相 H 桥电机控制解决方案的所有构建模块(包括相关的分立元件和电机控制算法)都集成在DRV10983中。

只需在DRV10983周围添加一些分立无源器件，即可完成整个系统解决方案。与使用分立 MCU、栅极驱动器和 FET 开发传统解决方案相比，开发 PCB 布局要简单得多且成本更低。布局完成后，您只需使用 SDA/SCL 输入通过 I 2 C 接口设置电机电路参数;使用电位器或 PWM(上面未显示)提供速度命令并开始运行电机。有关详细信息，请参阅DRV10983 数据表。