高集成和无感FOC发展趋势下的BLDC专用驱控芯片

BLDC作为同步电机，因为其转矩密度高，十分适合应用在移动式产品中。尤其是近几年，无人机、机器人和电动汽车这些发展迅猛的行业都有很多BLDC的应用。

 

由于BLDC可以使反电动势的波形呈梯形，所以就可以采用具有矩形波形的直流电压来生成低转矩纹波的旋转磁场，而矩形电压很容易产生。所以随便一款MCU，或者C2000系列DSP乃至于51单片机都可以产生这种PWM波，这也是为什么BLDC的控制和驱动可以做得很简单。在低成本高效率应用上，BLDC几乎就是最佳选择。

 

目前终端市场对电机控制性能提出了更高的要求，不仅需要电机能够做到高效率和多功能控制，还需要在追求高转速的同时实现低噪音低振动的控制效果。这些高标准的性能要求都对控制芯片提出了更严苛的要求。越来越多的高性能电机驱动控制芯片在市场高需求和性能高标准两大机遇下涌现。

 

单芯片完成全集成

 

其实不止于电机驱动控制专用芯片，对集成电路设计行业而言，更高的集成度一直是正在为之努力的目标。对电机驱动控制专用芯片来说，单颗芯片如果有更高的器件或功能集成度，那么在应用时就能大幅简化外围器件与电路。这对于BLDC整体的可靠性而言也是至关重要的。

 

近期，德州仪器（TI）就发布了MCF8316A和MCT8316A两款BLDC驱动。虽然还未正式开始发售，但是从目前透露的信息已经可以看到其性能的强大。

 

（图源：TI）

 

MCF8316A和MCT8316A集成了实时控制功能和包括MOSFET在内的多达18个分立式元件。MCF8316A是无传感器磁场定向控制电机驱动器，智能地提取电机参数；MCT8316A则是无传感器梯形控制电机驱动器，无需微控制器接口，集成度高因此可简化系统。

 

据悉，MCF8316A包含了一项获得专利的精密自动死区时间补偿技术。该技术可以补偿电流失真，极大程度上优化电机的声学性能。MCT8316A则是通过不同的梯形控制技术来降低BLDC噪声。

 

这两款新产品集成了三个栅极驱动器和六个高侧和低侧MOSFET，每个均具有50mΩ的导通电阻。单芯高集成的优势从德州仪器先进的BLDC电机驱动性能中可见一斑，两款产品能够在12V和24V系统中提供高达70W的功率和8A的峰值电流。高集成度的体现不只有这些，低压降（LDO）稳压器、直流/直流降压稳压器和电流检测放大器等元件都集成在单芯中，省去了多达18个分立式元件。对于低压节能型系统，这两款产品应该可以带来最理想的选择。

 

使用集成了无传感器控制功能的电机驱动器进行实时控制时，电机中无需霍尔效应传感器，因此可以提高系统可靠性并降低系统总成本。单芯片全集成带来的成本下降也是下游客户极其看重的一点。

 

无传感器FOC

 

在BLDC电机控制算法上，也是一代代更新。随着电机控制性能要求的逐年提升，BLDC控制算法也从方波控制转型到有感SVPWM，然后到FOC。无感FOC控制算法目前已经在各大厂商确立了主导地位，这主要还是因为FOC能在最大程度上实现高效率、低振动、低噪音以及高响应速度等电机控制目标。

 

上述这两款TI产品都是基于Field Oriented Control 的控制方式。这里我们视线转回国内，从国内的BLDC控制芯片和方案上就可以看到，基本上所有国内厂商都选择了FOC来推。

 

峰岹科技推出的FU6832就是内嵌无感FOC的高性能BLDC专用驱动MCU。其实这款也做了单芯全集成，内部集成高速电机控制引擎、Predriver、LDO、运放、比较器、高速ADC及高速乘除法器，可硬件自动完成电机FOC/BLDC运算控制。

 

（图源：峰岹科技）

 

FOC控制下的电机换向性能极其优秀，再最高转速下正反转切换可以做到十分顺畅，同时FOC可以进行电流（力矩）、速度、位置三个闭环控制。通过Clock调速和PWM调速，FOC控制下的BLDC震动更低，噪音更小，响应速度更快。

 

在无传感器FOC算法中，由于集成了先进控制技术，因此可以显著加快电机调谐，例如，通过自行测量电机参数或自动执行控制环路的调谐等方式加快速度。

 

ChipON的KF32系列针对BLDC电机应用也对FOC实现了相关的优化。

 

（图源：ChipON）

 

KF32系列强大的内核能在没有任何硬件算法加速的情况下实现无感FOC下>240000RPM电转速。

 

同时，使用KF32增强型ECCP输出6路PWM，采样电阻把电流信号转为电压信号，再通过KF32内集成的运放模块差分运放，用KF32的ADC模块采样信号大小，采样值再经过FOC算法去调整控制PWM输出的占空比，使电机的运行速度达到速度给定。

 

国内还有不少芯片厂商推出了基于BLDC应用的专用芯片，这里不一一列举。

 

小结

 

BLDC电机驱控芯片行业技术向单芯高集成和无感FOC控制的趋势已经很明朗，BLDC驱控芯片厂商如何在市场起量的契机下在高效率，低能耗，稳定性上取得突破将会是赢得市场的关键。