如何提高电池供电电机驱动的功率密度

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最新的电池供电电机产品越来越多地使用三相无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)进行设计，因为它们具有更高的效率、紧凑的尺寸、低维护成本、高转矩重量比和运行噪声低等优点。预期的用途包括自动导引车、无人机、电动自行车和园艺用无绳电动工具等。
然而，与传统的有刷直流电机相比，调节这些三相电机会更加困难。BLDC和PMSM电机采用电源开关(即MOSFET)进行连续换向，而不是采用机械电刷与转子接触。当向定子绕组以特定顺序施加激励而使其产生旋转磁场时，转子就会产生转矩以及旋转运动。系统能够确定转子位置，是该控制策略的关键组成部分。在定子中，可以使用物理霍尔效应开关或锁存器来执行此操作，或者可以使用无传感器硬件和软件解决方案。最终用户希望拥有更小、更轻且电池寿命更长的小工具，这在这些类型的应用中提出了重大的设计挑战。
如何更好地实现三相电机的调节?7月21日，由AspenCore主办的【2023全球MCU全球生态发展大会】将在深圳罗湖君悦酒店召开。其中，【电机驱动与控制分论坛】上，Microchip、TI、珠海极海和国民技术等国内外知名半导体厂商，以及哈工大(深圳)机电工程与自动化学院詹瀚林副教授、博导，都将带来有关先进电机驱动与控制的主题演讲。

欢迎对电机驱动与控制感兴趣的工程师朋友扫码报名参会。

为帮助设计人员实现终端市场目标，英飞凌科技(Infineon)现已推出完全可编程的IC的所有功能和一个额外的基于32位ARM Cortex-M0的MCU(具有48MHz主时钟的XMC XMC1404)，其外设和规格针对电机控制和驱动器进行了优化。

图1：MOTIX完全可编程电机控制器采用小尺寸9×9mm 64引脚VQFN封装对MCU和栅极驱动器IC进行了结合。
高度集成解决方案的灵活性和可配置性
图2中的框图概述了MOTIX IMD70xA器件在电机控制应用中提供的不同功能块。如图所示，它在单个封装中包含所有计算功能(XMC XMC1400)和栅极驱动器接口(6EDL7141)。

图2：Infineon的MOTIX完全可编程电机控制器的功能和高度集成。
该功率级(三相逆变器)使工程师能够通过在外部选择合适的功率开关来设计目标功率水平。
包含传感器的电机控制应用
测量三相BLDC电机中转子位置的最常见的实现方式是使用物理传感器。有许多传感器可供选择，其中包括霍尔效应开关和锁存器、线性或正交旋转编码器以及旋转变压器。例如，使用霍尔效应开关检测转子位置，可提供足够的信息来确定三相逆变器在称为梯形控制或六步换向(12步换向也是种常见的实现方式)的开关配置中所需的下一个开关模式。为实现这一点，可同时读取三个霍尔效应开关的输出，这些输入就可为转子位置提供60˚机械度分辨率。
MOTIX IMD70xA集成控制器包括一个位置接口(POSIF)模块，因此能够使用内置去抖定时器处理来自这些传感器的信号，以消除信号中的噪声。POSIF模块用于执行传感器事件读数、误差处理和与PWM生成模块同步之间的时间测量。这种增强的功能可以让CPU运行其他任务，而无需采用特定的固件例程来启用这些读取、操作和计算。虽然这是一种相对简单的实现方式，但包含传感器的方案存在一些缺点，例如传感器成本增加、转矩纹波高以及可靠性较低(机械连接器和电缆从电机引出)。
无传感器电机控制应用
为了克服需要传感器的应用中所面临的一些限制，可以采用无传感器技术。一种方法是通过读取电机绕组的反电动势来运行。另一种解决方案是称为磁场定向控制(FOC)的控制方案。这种实现的一些优点描述如下：

• 不需要转子位置检测传感器，而是采用软件估算器计算转子位置和速度。
• 转矩脉动较低(与梯形控制相比)，这意味着较低的功率损耗和可闻噪声降低。
• 与梯形控制相比，转矩控制更好。
• 在整个速度范围内效率更高。
• 高分辨率转子角度/速度检测。
  

良好的动态负载变化响应。另一方面，FOC控制方案的缺点之一是其复杂性，因此，CPU需要更多的计算能力。IMD70xA集成控制器包括多种有助于实现FOC的外设，例如MATH协处理器，它可用于执行无传感器FOC算法所需的计算以实现更高的系统性能。
MATH协处理器工作频率为96MHz，具有：

• 32位除法器单元(DIV)，用于有符号和无符号除法函数;
• 24位坐标旋转数字计算机(CORDIC)，用于三角函数、线性函数和双曲线函数。
  

作者：Maurizio Acosta