1 應用簡報

引言

無刷直流 (BLDC) 電機仍然是一種重要且應用日趨廣泛的電機類型，與有刷直流 (BDC) 和步進電機相比具有許多性能優勢。與 BDC 電機相比，BLDC 電機更高效、功率更高、扭矩更大、更安靜、使用壽命更長且速度更快。如今，很多不同的產品都明確宣稱采用了“無刷”技術。能夠跟上市場趨勢對于確保設計出在市場上受歡迎的產品而言非常重要，比如無線電動工具和園藝工具、無線吸塵器、無人機和遙控玩具、風扇和空氣凈化器以及自動百葉窗。

但是，在客戶系統中實施 BLDC 電機仍然是許多產品設計團隊難以逾越的瓶頸之一，尤其是在比較 BLDC 控制與 BDC 電機的復雜性時。即使是使用傳感型梯形控制模式的系統也是如此，這將是本文檔探討的主要主題。

有刷直流系統

在一個典型的中等功耗有刷直流電機系統中，我們可以看到四個外部 MOSFET 和一個相關的 H 橋柵極驅動器（例如 DRV8701）。低壓降穩壓器 (LDO) 通過主電機電源為微控制器 (MCU) 和霍爾效應傳感器產生 3.3V 電壓（LDO 可集成到柵極驅動器中）。系統 MCU 獲取輸入（按鈕、命令等）并使用兩個輸出，即一個方向信號（順時針或逆時針旋轉）和一個 PWM 信號（0% 到 100% 占空比，固定頻率），來控制電機。霍爾效應傳感器用于向 MCU 反饋電機速度。

圖 1-1 有刷直流電機系統

這種系統使用的控制環路可以是速度控制環路，也可以是位置/伺服控制環路。霍爾效應傳感器輸出頻率與電機速度成正比，用于閉合速度控制環路。如果我們將積分器/累加器應用于霍爾效應傳感器信號，就能夠確定電機位置并操作位置控制環路。

圖 1-2 有刷直流電機速度控制環路

傳統無刷直流系統

了解類似的 BLDC 系統后，我們就知道為什么工程師會對以相同方式實現無刷直流電機的復雜性感到擔憂了。BLDC 控制的傳統解決方案涉及三個 ? H 橋柵極驅動器和六個外部 MOSFET。這些柵極驅動器具有 6 個 PWM 接口，因此每個 FET 都需要一個控制信號（總共六個輸入信號）。無刷直流電機需要電氣換向，這意味著系統負責通過按正確順序為各相通電來保持電機旋轉。對于包含傳感器的控制方案，電機中集成了三個霍爾效應傳感器以提供位置反饋。在一些電機中，霍爾效應傳感器被霍爾元件取代，霍爾元件具有模擬輸出，需要采用額外的比較器來實現正確的反饋。如圖 1-3中所示，與有刷直流電機方案相比，MCU 在所需的輸入和輸出方面的要求顯著增加。

圖 1-3 傳統無刷直流電機系統

經過簡化的無刷直流系統

為了“簡化”無刷直流系統，我們來研究一下 DRV8306 三相智能柵極驅動器。該器件集成了一個六步（梯形）換向表，以便 DRV8306能夠控制無刷直流電機換向。這減輕了 MCU 的處理需求，并減少了 MCU 上所需的 GPIO 數量。通過集成換向表，DRV8306 器件可實現 BLDC 設計，就像有刷直流電機系統使用方向和 PWM 命令進行控制一樣簡單。DRV8306 還集成了霍爾元件比較器，故無需額外的比較器或電路即可與霍爾效應傳感器或霍爾元件一起使用。所有三個霍爾信號都集合在 DRV8306 中，向 MCU 發送一個速度反饋信號。

圖 1-4 經過簡化的無刷直流電機系統

我們在圖 1-5 中看到，由柵極驅動器負責電機換向后，控制環路與有刷直流電機的控制環路類似。

這樣可實現復雜性更低且易于控制的系統。對于上述有刷直流電機系統示例和這個經過簡化的無刷直流電機示例，MCU 的電機控制要求是相同的。

圖 1-5 經過簡化的無刷直流電機速度控制環路

結論

設計復雜性是無法在產品中實現無刷直流電機的常見原因，雖然對于傳統無刷直流系統來說確實如此，但諸如 DRV8306 之類的器件可簡化無刷直流電機控制模式，實現與有刷直流系統類似的控制復雜性。

器件建議

DRV8306 不是唯一可以對配有傳感器的電機執行梯形控制的器件，因此可根據必要的系統要求選擇其他器件。MCT8316Z 是另一款類似的器件，它還集成了功率級 MOSFET 和電流檢測電阻器，用于峰值高達 8A 的電機。DRV8306 和 MCT8316Z 可支持霍爾元件輸入，而下面列出的其他器件僅支持沒有外部比較器的霍爾效應傳感器（在 1x PWM 模式下）。