開始使用 BLDC 馬達的無感測器式磁場導向控制與 Infineon 的資源

在我們的住家、工作場所和車輛中,電動馬達無所不在。以目前一般的汽車為例,平均約有 35 個馬達分佈在車輛中。從燃料泵浦到車窗升降器,這些相關的應用都會使用標準 DC 和無刷 DC (BLDC) 馬達 (圖 1)。

圖 1.DC 和無刷 DC (BLDC) 馬達的典型應用。(圖片來源:Infineon)

隨著電動車與油電混合車持續增長,每輛車使用更多馬達已成為未來的趨勢。除了汽車應用,DC 和 BLDC 馬達也廣泛用於許多工業自動化、控制和機器人應用中。

BLDC 馬達通常用於較嚴苛的應用中,因為其具有比有刷 DC 馬達更大的效能優勢。與 DC 馬達相比,BLDC 馬達提供更高的效率、更長的壽命與更大的扭力重量比。BLDC 的缺點包括更高的成本,而且需要額外的控制器電路。

以我個人來說,我最近將電池供電式電鑽和衝擊起子,從有刷升級為無刷 DC 馬達技術。扭力和電池續航力的改善卓越,是一筆很划算的額外花費。

BLDC 馬達

BLDC 馬達是傳統標準 DC 馬達的變化款式。基本的差異在於 BLDC 馬達需透過電子方式進行換向,而非使用機械式電刷。BLDC 馬達的轉子包含永久磁鐵,定子上纏繞著一組相對應的磁極。控制電路會用來讓繞組通電並產生旋轉磁場。當轉子磁鐵嘗試與旋轉的定子磁場對齊時,就會產生動作和扭力。

無感測器式磁場導向控制 (FOC)

無感測器式磁場導向控制 (FOC) 是用來控制 BLDC 馬達轉速和扭力的方法之一。磁場導向控制 (又稱為向量控制) 是一種用來產生三相正弦調變的技術,並可透過頻率和振幅來控制此調變。透過計算將三相訊號轉換成雙相後,就能更輕鬆在馬達控制電路中進行控制和實作。無感測器式控制無需位置感測器,而是透過反電動勢 (EMF) 的測量來判定轉子位置。

在微控制器中實作無感測器式 FOC

實作無感測器式 FOC 時,需執行訊號測量與數學計算。若微控制器具備必要效能與周邊裝置組合,則相當適合實作此功能。InfineonTLE9879QXA40 是一款整合 Arm® Cortex®-M3 核心的單晶片三相馬達驅動器 SoC (圖 2)。

圖 2.TLE9879x 應用方塊圖。(圖片來源:Infineon)

此產品包含六個全整合式 NFET 驅動器,且經過最佳化,可透過六個外部電源 NFET 來驅動三相馬達;還有一個電荷幫浦可達到低電壓操作;具有可編程電流及電流斜率控制,可達到最佳化 EMC 活動。周邊裝置組合包含一個電流感測器;一個連續漸近 ADC (與擷取比較單元同步以達到 PWM 控制),以及多個 16 位元計時器。此外,亦整合 LIN 收發器以便與裝置通訊,還有一些通用 I/O。此產品包含晶片上線性穩壓器,可供電給外部負載。

Infineon 的 TLE9879QXA40 是實作 BLDC 馬達磁場導向控制的優秀解決方案。此產品兼具效能和功能組合,能以最少的電路板空間實作高效能、經濟實惠的 BLDC 馬達驅動器。深入的應用說明《Sensorless Field Oriented Control with Embedded Power SoC》(含嵌入式電源 SoC 的無感測器式磁場導向控制),詳盡說明了 FOC 理論以及演算法的實作方法。

開始使用

Infineon 的 BLDC_SHIELD_TLE9879 低成本評估板有助於輕鬆開始使用無感測器式 FOC。此產品採用 TLE9879QXA40,可搭配 Arduino 相容的基板來驅動 BLDC 馬達。搭配 Arduino Uno 和相容的 BLDC 馬達使用,即可在一小時內讓馬達運作並轉動 (圖 3)。

圖 3.安裝在 Arduino Uno 基板上的 BLDC_SHIELD_TLE9879。(圖片來源:Infineon)

BLDC_SHIELD_TLE9879 的線路圖、Arduino 函式庫以及完整文件,均可在 https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield 網頁中取得。研究此部落格文章的內容時,我花了些時間使用 Uno擴充板,以熟悉如何驅動 BLDC 馬達。配置步驟、測試程式碼和文件參考資料,都包含在我的「利用 Infineon 的 TLE9879Qx 三相馬達驅動器擴充板驅動 BLDC 馬達》專案中,並發佈在 Digi-Key 的 TechForum

應用開發

若想要深入瞭解 TLE9879Qx 架構的設計與開發,Infineon 有提供額外資源。要寫入 BLDC 擴充板的韌體原始碼,會以 Keil uVision 專案檔案方式提供,可以此做為起點開始。這些專案檔案包含在 Infineon 的「含 TLE9879QXA40 的 Arduino BLDC 擴充板」軟體下載項目中,連結位於擴充板專案網頁中的 BLDC_SHIELD_TLE9879。此外,除了 BLDC 擴充板,REF_WATERPUMP100W 泵浦公版設計,以及 REF_ENGCOOLFAN1KW 風扇公版設計皆可從 Digi-Key 取得。

結論

Infineon 的 BLDC_SHIELD_TLE9879 評估板能以快速、低成本的方式,協助您開始使用無感測器式 FOC 來驅動 BLDC 馬達。若是進階使用者有興趣評估 TLE9879QXA40 並使用其提供的原始碼,此板件也是不錯的資源。

外部參考資料

1 – Infineon.“Motor Handbook”

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf

關於作者

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Scott Raeker 是 Digi-Key Electronics 的首席應用工程師,自 2006 年起加入公司,主要負責協助無線領域的客戶。他在電子產業累積超過 35 年的經驗,擁有明尼蘇達大學的電子工程學位。在空閒時,Scott 喜歡整修他的鄉村農舍。

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