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电机控制方案该如何选择?

Qorvo 电机与电源应用部门经理李方哲在日前的一场电机控制相关的在线研讨会中指出,近年来,无论是交流应用领域还是直流应用领域,都越来越多的电器转向了 BLDC 的方案,这就带来了 BLDC 方案的需求。而目前,市场上有很多电机控制的方案选择,为此 Qorvo 的客户在与他们交流的时候,会在如何选择方案上提出很多咨询。

因此在这个线上研讨会中,李方哲对当前的电机控制的相关方案做了一个介绍。

李方哲指出,如下图所示,我们可以看到,现在有三种方案可以来实现电机控制设计,分别是一个 MCU 加大量外围模拟器件组成的分立方案(如图左侧)、一个 ASIC 加少量外围模拟器件组成的 ASIC 方案(如图右侧)和把所有器件集成到一个封装内的集成化方案。

“我们不能很简单地说这些方案哪个更优,而是应该根据应用场景的不同,来选择更适合的方案”,李方哲说。



从他的介绍我们得知,分立方案这个方案拥有通用性和搭配的灵活性,但需要比较多的芯片数量,这就使得最后 layout 出来的 PCB 板面积比较大;

来到 ASIC 方案,毫无疑问将获得更好的电路设计,但因为他们很多情况下是针对特定应用而设计的方案,所以其功能、包括算法都是固化的,且其拥有规定的电压范围,这就让他们在应用的时候丧失了灵活性;

至于集成化方案,他们拥有更少的元器件、更优化的电路设计,且拥有相当的灵活性(通过软件配置),又因为他们将大部分元器件集成到一个封装里,这使得他们可以在产品上体现更多的创新性功能,但与此同时,他们的缺点也相当明显。如可替代性几乎为零,无法兼容和可维修性过低,就是其典型劣势。

为了更详细说明不同方案的优劣势,李方哲分别对其组成和工作原理做了更深入的阐述。

李方哲指出,如下图所示,这是一个典型的分离式设计方案。主要由 MCU、门级驱动、比较器和放大器这几大模块组成,因为这些模块都要供电,这就对电源提出了很高的需求,但因为在这种方案里,各个部件都是独立的,所以在灵活性和可维修性上,都有其余两种所无法比拟的优势,但因为方案需要在 PCB 板上放不上很多器件,那就意味着开发者很难把产品做得很小。



在 ASIC 方面,马达的 U/V/W 三根控制线直接连到了芯片的引脚,说明驱动方面设计极简。这个芯片是 180 度的正弦波驱动,需要外挂 HALL 传感器来检测转子位置。芯片设有转速输出及转速调节输入脚位,需要一个简单的控制器来做转速闭环控制。另外,为了给芯片供电,还需要搭配一个降压电路。



在第三种,就是 MCU+IPM 的方案,下图黄色框图内就是 IPM 架构,跟 ASIC 不一样,这个方案更有灵活性。同时这个方案的信号采集是放在 MCU 里,那就使得整个方案的驱动变得更简单、电路也很优化。但前面也说道,这个方案拥有不可替换、功率段是固定下来的劣势。



“现在的马达控制发展的趋势是集成化,芯片厂商把包括 MOS 驱动部分在内的大部分元器件都集成到一个芯片封装里面。这种方案带来的优势是器件会更少,线路会更优化,也有灵活性。而劣势就是厂商之间的器件脚位不兼容,且更换成本较高。又因为驱动被封装到芯片里,所以其耐压程度也受到了限制。”,李方哲接着说。



在电机控制方面,除了硬件有多个不同的选择外,在驱动方面也有两种选择,那就是 FOC 和方波。这些方案都各有优劣势,开发者该如何选择呢?



李方哲首先强调,不管是 FOC 控制还是方波控制,虽然都是利用定子制造旋转磁场拖动转子转动,但控制算法不尽相同。如下图可以看到,FOC 在高频噪声、可控性、控制多样性和转速范围都很有优于方波的表现。而方波的优势则体现在开关损耗、功率器件选型、MCU 性能选择、马达一致性和相关的硬件设计方面。

“因为控制原理的不一样,方波控制不需要 MCU 拥有更强的性能,在硬件设计上,也无需像 FOC 要考虑太多板子上的 EMI 干扰,简化开发者的设计”,李方哲说。



“总结而言,正弦波以性能取胜,方波方案则在成本上有很大的优势。但是我们必须强调一点,方波在某些方面性能也好于 FOC,因此我们在选择方案的时候,可以参照上表选择适合自己的方案”,李方哲补充说。

具体到 FOC 方面,市场上也有三电阻电流采样或者单电阻电流采样的方案,那么这两种方案有各有怎样的优劣势呢?



首先看三电阻电流采样,根据李方哲介绍,这种方案因为拥有均衡的 PWM,有充足的时间去采样,这就使得他们在低速过程中表现比较好,并且没有太多的振动。这是单电阻方案所不能比拟的。据了解,后者在低速的时候,抖动情况非常明显。此外,在刹车控制方面,三电阻的方案也优于单电阻方案。



再看单电阻采样,因为这个方案采用的是总线电流采集的方式,那就使得其成本比较低,能很容易地检测到总线电流,电流检测也相对容易。在硬件设计上也比较简单,因为只有一路直流电流。但三电阻方案则相对复杂,因为他们采样的是多路的交流电流。

“总结而言,在 MCU 资源够的情况下,单电阻方案基本上能满足客户的需求,因为他们相对简单,且成本较低,工程师也希望能在这个方案上给客户提供更多的支持”,李方哲说。



来到 Qorvo 方面,则可以通过 PAC 系列芯片给电机控制市场提供支持。

据李方哲介绍,所谓 PAC,也是就 Power Application Controller 的简称,中文就是电源应用控制器。因为 Qorvo 收购的 Active-semi 之前专攻 AC-DC 类产品,而这系列则是看到当前需求基于之前的经验而开发出来的“新”控制器。



“我们这种方案的优点是可以把方案做得更小,也很灵活,功能也不错”,李方哲说。而从上图我们可以看到,这种集成化的方案不但在元器件上有极大的优势,甚至在成本方面,也有着其他方案难以企及的。

从下图可以看到,除了工业领域的 380V 方案以外,Qorvo 几乎覆盖了所有的电机控制应用领域。李方哲还透露,Qorvo 在今年有望会推出车规级的 PAC 产品,进军汽车领域的电机控制市场。



为了进一步说明 PAC 系列产品的优势,李方哲以 PAC5527 为例对其进行深入说明。

如下图所示,Qorvo 的 PAC 系列在电源部分没有用到电感,而是只用两个电容就实现 24V 输入的电压转换。因为 Qorvo PAC 芯片的引脚是直接拉线连接到功率器件,中间没有电阻,这就给其带来成本低、板子小的优势。

“另外,我们这个方案还是可调节的。芯片里面有多级恒流源,可以让电机运转过程中可以更灵活地调整,我们这种集成不是简单的一加一等于二”,李方哲强调。



除了硬件,我们的软件也必须要做相应匹配,我们开发了很多高性能的功能算法模块,并一直在持续革新中。有着有其他方案所没有的优势。




“我们的 PAC 有一个生态系统,这几年也一直致力于打造这个系统,便利开发者的设计”,李方哲说。他进一步指出,在硬件方面,Qorvo 除了提供评估板,还会提供很多相关设计参考;在软件方面,也是比较齐全,SDK 方面,Qorvo 也解决了行业内的通用需求,同时还有相当成熟的,对第三方开发环境的支持功能。在售后方面,我们国内会有全方位的支持。

对于电机控制开发者来说,PAC 是个不错的选择。