遥遥领先Renesas具有增强操作的低压电机控制

遥遥领先Renesas具有增强操作的低压电机控制

在各个层面上，电动机已经改变了世界，并将继续改变这个世界。从家庭中随处可见的小型电机到重型工业电机。随着对环境和经济方面的能源成本意识的提高，需要在电机驱动系统中实现更高的效率，并降低运行和生产成本。

瑞萨晶振厂家的低压电机驱动解决方案由于其安全性、更小的外形尺寸、优化的成本以及与其他电子电路共享的统一DC链路总线，满足了消费电子产品的关键要求，并带来了以下优势：

• 1，更高的安全系数--将电机、泵和风扇与电源电压隔离开来，可以使系统对设计人员和维护人员来说更加安全。
• 2，减小尺寸和成本--高压IGBT、MOSFET或集成功率模块(IPM)通常需要隔离的12Vdc ~ 15Vdc或外部自举电路来开启栅极，这增加了元件的数量，以及这种驱动板的生产成本。相反，低压解决方案通过使用内部自举，同时享受更低的爬电距离和电气间隙要求，显著降低了PCB尺寸和成本。
• 3，提高电机驱动效率--在低压低功耗应用中，具有小RDS的MOSFETs在和栅极电荷实现了非常低的损耗，这可能不需要额外的散热元件，从而对整体系统成本的降低做出了更大的贡献。

为了提高电机控制性能并实现最高效率，同时尽可能降低生产和开发成本，选择正确的微控制器是关键的决策因素。瑞萨MCU专为电机控制应用而设计，通过集成模拟和数字外设提供更简单的硬件设计，并通过最先进的软件开发套件(SDK)加快软件开发。我们将详细解释这些MCU的独特功能，以及它们如何带来最佳的低压电机驱动系统设计。

低压电机控制趋势和主要挑战

执行电机控制算法的微控制器依靠几个反馈测量、滤波和数学计算来有效地传递所需的扭矩和速度；因此，需要几个模拟电子电路来将传感器的输出转换为适合MCU的电压电平，并实现可靠的保护。丰富的集成模拟和数字外设RA6T2, RX13T, RX26T，石英晶振，以及RX72T MCU与瑞萨专有核心和强大的Arm相结合®皮质®-M内核，以及瑞萨独有的IIR滤波器和三角函数加速器(IIRFA和TFU)，使这些MCU成为应对最常见设计挑战的完美选择。

电流测量

测量低压驱动器电流的最常见方法是检测分流电阻或电流检测电阻上的压降。选择非常小的电阻会降低功耗，但会显著降低检测电压幅度，使ADC无法读取该值。为了解决这一常见问题，进口晶振瑞萨推出了带采样保持功能的12或16位ADC和嵌入式可编程增益放大器(PGA ),以精确放大输入信号，并在将其转换为数字值之前注入稳定的DC偏移。使用内部PGA可以省去外部元件，降低PCB的尺寸和成本，同时提供低噪声和稳定的基准电压工作，并能够补偿温度变化。

过电流保护

当出现高浪涌电流时，必须尽快保护驱动系统和电机，这通常通过外部模拟比较器来实现，以关断栅极驱动。然而RA6T家族的32位MCU提供一个集成的高速模拟比较器(ACMPHS ),用于将PGA输出与最大电平进行比较，并以小于50纳秒的延迟关闭PWM信号。

测量噪声

逆变器引起的高频开关纹波和环境白噪声破坏了测量电压和电流的质量；因此，有必要对信号进行滤波。与体积庞大且不稳定的外部模拟低通滤波器不同，瑞萨的RA6Tx MCU提供硬件实现的双二阶IIR滤波器加速器(IIRFA ),与其他MCU相比，速度控制和电流环路计算的处理周期减少了约40%。

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图一。瑞萨RA6Tx丰富的集成模拟外设在三相BLDC驱动中的应用(仅包括阶段A)

控制BLDC的有效方法

除了BLDC驱动所需的混合模拟-数字硬件，控制算法必须提供最大效率，以降低制造商和最终用户的生产和运营成本。BLDC汽车公司采用了几种不同的控制方法，每种方法都有自己的一套原理和应用。最常用的方法包括梯形控制、正弦控制、磁场定向控制(FOC)和矢量控制。

梯形控制

梯形控制是BLDC电机控制的最简单形式，它通过在基于霍尔传感器反馈的六步换向模式中向电机绕组施加电压来运行。这种方法实现成本低，同时在风扇或泵等高速应用中提供良好的性能。这种方法的主要缺点是，由于六步换向，它不能产生平滑的转矩输出，导致在操作过程中可听见的噪声和振动增加。

正弦控制

与梯形法相比，通过基于转子位置传感器数据或反电动势估计算法的PWM技术控制相电流的正弦波形，可以在更宽的速度范围内实现更好的性能，从而在低速下实现更平滑的运行，适用于大功率电机/压缩机。然而，这种方法不能保证电机电磁能力的最佳利用，也不能提供最大效率。

磁场定向控制

磁场定向控制(FOC)是一种更先进的技术，它在电机磁通矢量空间内将产生转矩的分量与磁化分量分离。通过将转子磁通量与定子磁通量对齐，可以实现更高水平的可控性，从而改善动态响应和高扭矩能力，使其成为从静止到额定的宽速度范围内要求苛刻的应用的理想方法。在复平面中对电机进行建模，通过在旋转坐标系(称为dq参考系)上操纵电流矢量的幅度和相位角，可以对转矩和磁通分量进行精确控制。通过操纵这些矢量的幅度和相位，矢量控制实现了对转矩和通量分量的精确调节，从而在效率、动态响应和平滑输出转矩方面实现了卓越的性能。

矢量控制

矢量控制(VC)是FOC的进一步改进，其中电机模型在复平面中表示。通过在旋转坐标系(称为dq参考系)上操纵电流矢量的幅度和相位角，它可以精确控制转矩和磁通分量。通过操纵这些矢量的幅度和相位，矢量控制实现了对转矩和通量分量的精确调节，从而在效率、动态响应和平滑输出转矩方面实现了卓越的性能。

每安培最大扭矩

无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)都可以从每安培最大扭矩(MTPA)的概念中受益，通过调整电流水平来优化电机运行，以实现最大的电磁效率。基于矢量控制的MTPA策略通过在电机转矩-速度特性曲线上的峰值功率点或其附近运行，能够提高能量转换，同时降低损耗。

MTPA算法和dq帧变换需要在每个控制采样时间计算复杂的三角函数。石英晶振厂家瑞萨开发的业界领先的三角函数单元(TFU)硬件加速器与闪存上的查找表相比，处理时间缩短了20%，ROM尺寸更小。

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图二。每安培轨迹的最大扭矩[由B. Bose于2001年在Prentice Hall出版的《现代电力电子和交流驱动》提供]

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图3。BLDC控制方法的比较

瑞萨加速您的低压BLDC驱动设计

基于电机的嵌入式系统开发极具挑战性，尤其是在优化电机驱动控制以实现所需性能和效率方面。然而，正确的软件和硬件设计工具可以帮助加快开发时间。瑞萨晶振提供基于的各种电机控制设备RL78, 药方(prescription 的缩写)，以及太阳神MCU系列及相关参考设计和入门套件，加速您的电机控制设计。这里，我们想分享我们RA MCU产品组合中的一个例子瑞萨解决方案入门套件(RSSK ),用于基于RA & RX的电机控制评估系统，提供全面的解决方案平台。它提供一种低压BLDC驱动解决方案，有助于利用各种样本代码和应用笔记评估电机控制，从而缩短上市时间。此外，瑞萨还提供了Motor Workbench，这是一个完整的开发环境，包括一个具有分析器功能的调试工具，可以读写MCU内部的变量，并在直观的GUI中显示变量的波形。

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图4。面向RA6T系列MCU的瑞萨电机控制评估系统

消费电器行业和其他相关的基于低压电机的应用正迅速转向使用高效BLDC电机和相关驱动系统，而不是过时的线驱动通用交流电机。在这个快速发展的行业中，降低功耗、物理尺寸和整体设计成本仍然是一些关键挑战。因此，选择最佳的微控制器和电源器件对于确保部署具有竞争力的最终产品至关重要。作为该领域的市场领导者，瑞萨提供各种MCU，专为电机驱动应用定制，具有高度集成的模拟外设和强大的处理能力，帮助嵌入式开发人员实现最有效的控制实施。使用瑞萨先进的BLDC开发平台，结合免费提供的集成IDE工作台和软件示例，设计人员可以毫不妥协地加快最终产品的交付速度。