BLDC與主控芯片，先進控制帶來高效優勢
2023-10-24 10:42:41??????點擊：
電子發燒友網報道（文/李寧遠）從簡單的電動工具、電風扇到復雜的機器人、汽車電機，許多機器設備都使用高能效的無刷直流電機BLDC將電能轉換為旋轉運動。在高效率、高扭矩、低噪音、長壽命、響應快速等優勢的加持下，越來越多電動設備開始向BLDC轉變。
雖然BLDC有著這么多優勢，但實現BLDC的控制是相對較難的，比有刷電機難很多而且硬件成本也更高。
高效BLDC的復雜控制
從工作原理上來看，BLDC作為電機，其基本構造也是定子加轉子，不過其定子和轉子和有刷電機是相反的。BLDC的定子是通電的線圈，轉子是永磁體。那么根據電磁感應原理，只要給定子上的線圈接入適當方向的電流，讓產生的磁極方向與永磁體的磁極相對應，就可以旋轉起來。
也就是說，控制電流的大小和方向，就能控制轉子的旋轉。進一步對接入電流線圈的定子進行優化，就能產生很多控制方式。BLDC的控制雖然在原理上和有刷電機相似，但實現起來卻要難得多，BLDC需要復雜的控制器才能將單個直流電源轉換為三相電壓，而有刷電機可以直接通過調節直流電壓來控制。
原理層面固然通俗易懂，但是真正實現起來，控制BLDC的難度還是不小的。
控制電流的大小和方向就能控制轉子的旋轉，這里有很多控制算法的應用。然后還需要知道轉子的位置，對位置的測量是確定電機何時換相所需的輸入。對于轉子位置的感測，又區分出有傳感器和無傳感器的路線。
對開環控制而言，這些已經足夠，但是在需要精確速度控制的場景里，加入PID閉環的控制是有必要的。對于閉環速度控制，需要對轉子速度或電機電流以及PWM信號進行測量，以控制電機速度以及功率。
目前的BLDC配置，硬件層面絕大多數控制方式都以六個功率開關器件構成的電子換相電路搭配成全橋，控制和驅動組合，再加上位置反饋電路和電流采樣電路。軟件層面則是方波、正弦波控制算法。
低成本高性價比方波控制
方波控制里最具代表性的六步換相，在傳統的電調控制里使用的非常多。所謂六步換相，本質上就是復現有刷換相的過程，只是在BLDC中沒有了電刷。六步換相法每360°電周期換相6次，換相發生在兩個相鄰狀態的切換瞬間，以此產生旋轉的磁場，拉動永磁體轉子隨之轉動實現電機的控制。
六步換相同樣有無感和有感的控制方式，有感的控制很簡單，配置三個位置傳感器，每60°電周期會有傳感器的狀態發生改變，以此確定何時換相。那么無感怎么判斷轉子位置？用反電動勢。
在這種控制配置里，位置反饋電路被反電動勢過零檢測電路取代。每當電機發生換向時，反電動勢的電壓極性發生變化，經過零值。通過識別反電動勢過零點，來識別轉速位置換向的過程。
這種無感的六步換相方案難度比有感高，在電機轉速為零或者很低的時候，這個反電動勢很難檢測到。需要分多步來啟動電機直到反電動勢能被準確檢測到才能正常切換為六步控制。此外，反電動勢的檢測和電機效率息息相關。
換相的時間會影響到電機效率，但檢測到反電動勢過零后準確到最佳電角度的時間卻只能通過推斷得出，而且推斷算法的執行本身也需要時間。所以最佳換相時間的算法是控制里很受關注的一點。一些算法可以選擇檢測到過零點后立即換相，在高速的情況下這種電機的效率很高。
總的來看，方波控制很實用且簡單，但確實存在比較大的轉矩脈動，會有比較大的噪音。借助更先進的FOC控制，可以克服很多方波控制的缺點。
高成本高效率FOC先進控制
有感的FOC通過SVPWM合成矢量磁場，再通過傳感器檢測手段測量轉子位置，然后對磁場進行精準控制。
目前隨著電機控制性能要求的逐年提升，BLDC FOC控制算法目前已經確立了主導地位，這主要還是因為FOC能在最大程度上實現更高的效率、更低的振動、更小的噪音、更平穩的轉矩控制以及更快的動態響應速度等精密控制目標，也是現在BLDC和PMSM最優的控制，目前FOC正弦波控制已在很多應用上替代了其他的控制方式。
FOC算法的本質是矩陣變換，是復雜的數學算法，而無感FOC沒有了額外的傳感器，進一步加大了控制難度，控制算法更為復雜。但是無感FOC也為整個電機控制帶來了更為簡潔的布局并降低了傳感器失效的風險，而且無感FOC高頻注入算法也能帶來帶載起動并突加負載運行的優勢。
過去FOC復雜的運算需要借助DSP來實現，尤其是無感FOC。現在很多芯片廠商都開發了專用于電機控制的MCU，而且也應用自家的芯片實現了FOC電機控制的相關算法，或者是將FOC控制相關的模塊使用硬件的方式集成在了芯片內部來進行控制。
FOC的核心源自閉環負反饋，因此其帶寬是電機控制產品最重要的衡量指標之一。而代碼執行時間決定了帶寬，這也造成了目前市場上電機控制產品性能輸出有差異的現象。國內不少廠商的BLDC驅控芯片已經做得很優秀。
如兆易創新針對電機驅動的GD32F407、GD32E50X系列，支持高動態性能FOC，可以滿足多種實時通訊需求，支持多種無傳感器算法，既能解決強算力高動態FOC的需求，也能兼顧成本敏感需求。
國民技術的N32M41x系列也能提供各種電機控制算法在內的高競爭力MCU方案，而且還針對市場需求開發了業內領先的電機參數自動識別技術和獨有的電機算法保護技術，實現高效穩定的BLDC控制。
峰岹科技則從底層架構上將芯片、電機驅動架構、電機技術三者有效結合，用算法硬件化的技術路徑，在芯片架構層面實現復雜的電機驅動控制算法，形成具有自主知識產權的電機驅動控制處理器內核，旗下FT8132系列表現搶眼。
中微半導體近期也針對吸塵器應用，推出了以微控制器CMS32M57xx為主控的低壓無感FOC應用解決方案，采用無感FOC單電阻控制方式，配置了自收斂直接閉環啟動算法適應不同負載啟動，亮點突出。
RISC-V內核領域先楫半導體的HPM6700系列也很有特色，高主頻給FOC運算帶來了明顯的提升，內外環（電流環和位置速度環）的執行時間表現很出色，能實現多電機同步、參數辨識等復雜電機控制算法與電流環的同步。
國內還有很多在BLDC控制領域做得相當出色的廠商和產品，這里不一一列舉，在低速帶載、帶載高速、IPM零速帶載、無感器正反轉切等難點上國內都有不錯的解決方案。
小結
FOC算法的鋪開，以其高效率優勢對BLDC驅控硬件的性能要求提高了不少，成本上會高出一籌，同時還需要電機參數相匹配。不過更為復雜的FOC控制為BLDC應用帶來了更高的效率和更精準的控制。在FOC已經成了各國內廠商BLDC標配的形勢下，高集成度和更多的外設配置也成了BLDC控制芯片競爭的重點。
雖然BLDC有著這么多優勢，但實現BLDC的控制是相對較難的，比有刷電機難很多而且硬件成本也更高。
高效BLDC的復雜控制
從工作原理上來看，BLDC作為電機，其基本構造也是定子加轉子，不過其定子和轉子和有刷電機是相反的。BLDC的定子是通電的線圈，轉子是永磁體。那么根據電磁感應原理，只要給定子上的線圈接入適當方向的電流，讓產生的磁極方向與永磁體的磁極相對應，就可以旋轉起來。
也就是說，控制電流的大小和方向，就能控制轉子的旋轉。進一步對接入電流線圈的定子進行優化，就能產生很多控制方式。BLDC的控制雖然在原理上和有刷電機相似，但實現起來卻要難得多，BLDC需要復雜的控制器才能將單個直流電源轉換為三相電壓，而有刷電機可以直接通過調節直流電壓來控制。
原理層面固然通俗易懂，但是真正實現起來，控制BLDC的難度還是不小的。
控制電流的大小和方向就能控制轉子的旋轉，這里有很多控制算法的應用。然后還需要知道轉子的位置，對位置的測量是確定電機何時換相所需的輸入。對于轉子位置的感測，又區分出有傳感器和無傳感器的路線。
對開環控制而言，這些已經足夠，但是在需要精確速度控制的場景里，加入PID閉環的控制是有必要的。對于閉環速度控制，需要對轉子速度或電機電流以及PWM信號進行測量，以控制電機速度以及功率。
目前的BLDC配置，硬件層面絕大多數控制方式都以六個功率開關器件構成的電子換相電路搭配成全橋，控制和驅動組合，再加上位置反饋電路和電流采樣電路。軟件層面則是方波、正弦波控制算法。
低成本高性價比方波控制
方波控制里最具代表性的六步換相，在傳統的電調控制里使用的非常多。所謂六步換相，本質上就是復現有刷換相的過程，只是在BLDC中沒有了電刷。六步換相法每360°電周期換相6次，換相發生在兩個相鄰狀態的切換瞬間，以此產生旋轉的磁場，拉動永磁體轉子隨之轉動實現電機的控制。
六步換相同樣有無感和有感的控制方式，有感的控制很簡單，配置三個位置傳感器，每60°電周期會有傳感器的狀態發生改變，以此確定何時換相。那么無感怎么判斷轉子位置？用反電動勢。
在這種控制配置里，位置反饋電路被反電動勢過零檢測電路取代。每當電機發生換向時，反電動勢的電壓極性發生變化，經過零值。通過識別反電動勢過零點，來識別轉速位置換向的過程。
這種無感的六步換相方案難度比有感高，在電機轉速為零或者很低的時候，這個反電動勢很難檢測到。需要分多步來啟動電機直到反電動勢能被準確檢測到才能正常切換為六步控制。此外，反電動勢的檢測和電機效率息息相關。
換相的時間會影響到電機效率，但檢測到反電動勢過零后準確到最佳電角度的時間卻只能通過推斷得出，而且推斷算法的執行本身也需要時間。所以最佳換相時間的算法是控制里很受關注的一點。一些算法可以選擇檢測到過零點后立即換相，在高速的情況下這種電機的效率很高。
總的來看，方波控制很實用且簡單，但確實存在比較大的轉矩脈動，會有比較大的噪音。借助更先進的FOC控制，可以克服很多方波控制的缺點。
高成本高效率FOC先進控制
有感的FOC通過SVPWM合成矢量磁場，再通過傳感器檢測手段測量轉子位置，然后對磁場進行精準控制。
目前隨著電機控制性能要求的逐年提升，BLDC FOC控制算法目前已經確立了主導地位，這主要還是因為FOC能在最大程度上實現更高的效率、更低的振動、更小的噪音、更平穩的轉矩控制以及更快的動態響應速度等精密控制目標，也是現在BLDC和PMSM最優的控制，目前FOC正弦波控制已在很多應用上替代了其他的控制方式。
FOC算法的本質是矩陣變換，是復雜的數學算法，而無感FOC沒有了額外的傳感器，進一步加大了控制難度，控制算法更為復雜。但是無感FOC也為整個電機控制帶來了更為簡潔的布局并降低了傳感器失效的風險，而且無感FOC高頻注入算法也能帶來帶載起動并突加負載運行的優勢。
過去FOC復雜的運算需要借助DSP來實現，尤其是無感FOC。現在很多芯片廠商都開發了專用于電機控制的MCU，而且也應用自家的芯片實現了FOC電機控制的相關算法，或者是將FOC控制相關的模塊使用硬件的方式集成在了芯片內部來進行控制。
FOC的核心源自閉環負反饋，因此其帶寬是電機控制產品最重要的衡量指標之一。而代碼執行時間決定了帶寬，這也造成了目前市場上電機控制產品性能輸出有差異的現象。國內不少廠商的BLDC驅控芯片已經做得很優秀。
如兆易創新針對電機驅動的GD32F407、GD32E50X系列，支持高動態性能FOC，可以滿足多種實時通訊需求，支持多種無傳感器算法，既能解決強算力高動態FOC的需求，也能兼顧成本敏感需求。
國民技術的N32M41x系列也能提供各種電機控制算法在內的高競爭力MCU方案，而且還針對市場需求開發了業內領先的電機參數自動識別技術和獨有的電機算法保護技術，實現高效穩定的BLDC控制。
峰岹科技則從底層架構上將芯片、電機驅動架構、電機技術三者有效結合，用算法硬件化的技術路徑，在芯片架構層面實現復雜的電機驅動控制算法，形成具有自主知識產權的電機驅動控制處理器內核，旗下FT8132系列表現搶眼。
中微半導體近期也針對吸塵器應用，推出了以微控制器CMS32M57xx為主控的低壓無感FOC應用解決方案，采用無感FOC單電阻控制方式，配置了自收斂直接閉環啟動算法適應不同負載啟動，亮點突出。
RISC-V內核領域先楫半導體的HPM6700系列也很有特色，高主頻給FOC運算帶來了明顯的提升，內外環（電流環和位置速度環）的執行時間表現很出色，能實現多電機同步、參數辨識等復雜電機控制算法與電流環的同步。
國內還有很多在BLDC控制領域做得相當出色的廠商和產品，這里不一一列舉，在低速帶載、帶載高速、IPM零速帶載、無感器正反轉切等難點上國內都有不錯的解決方案。
小結
FOC算法的鋪開，以其高效率優勢對BLDC驅控硬件的性能要求提高了不少，成本上會高出一籌，同時還需要電機參數相匹配。不過更為復雜的FOC控制為BLDC應用帶來了更高的效率和更精準的控制。在FOC已經成了各國內廠商BLDC標配的形勢下，高集成度和更多的外設配置也成了BLDC控制芯片競爭的重點。
- 上一篇：復雜BLDC控制帶來更高效電機應用 2023/10/24
- 下一篇：開放式耳機市場上半年：出貨量增長超120%，成為耳機市場新的 2023/10/24
