玩转电机——驱动算法是成败关键

　　电机驱动的最大难点在于成本和算法，其算法和精度及可靠性又密切相关。此外，电机能耗占世界能耗的一半左右，电机效率的提高，符合节能减排的要求。德州仪器（TI）公司半导体事业部市场推广经理李志林（图1）强调，电机控制的核心在于它的控制算法：除了硬件之外，最重要的要求是如何用更优异的算法去控制电机。

　　在我们的家庭里面，所有的家电除了电视机以外，几乎都包含了电机：从抽油烟机、微波炉、灶具，燃气热水器、洗衣机、冰箱、空调，再到硬盘、DVD机，全都和电机有关（图2）。另外，在汽车当中，所使用的电机数量达上百个之多。其中的很多产品（例如硬盘），对电机控制的精度和可靠性要求非常之高。

　　算法和可靠性

　　李志林指出，国内的家用电器厂商在电机的控制算法上处于弱势；而至于硬件方面，根据不同要求集成不同的功能和硬件，可以提高产品的可靠性。另外，现在的一些电机驱动器件集成了MCU，这也是电机驱动的一个发展方向。根据不同的应用需要，电机有很多的控制算法，包括：120度、150度或180度梯形波、FOC算法、无位置检测、PID调节算法等。对于电机驱动的可靠性，需要设计各种保护，比如：热保护、欠压保护和防止导通的保护等。然而，在以往的电机驱动器中，几乎难以找到过流保护（OCP）——这些器件对于这一保护而言，只能够靠热保护去响应。

　　他介绍，TI有一个专门针对电机做控制算法的实验室Kilby Lab。该实验室致力于将算法做得更完善，把可靠性提上去。在可靠性方面，若采用热保护的话，在温度达到某一温度（比如150度）时再直接关断，响应可能无法满足实际需要：比如人为的短路，在发热温度检测还来不及保护的时候就会烧毁。过流保护响应时间太长的话，器件也容易被烧毁。另外，电机在起动的瞬间，冲击电流特别大。若在此时执行电流检测的话，器件会实施过流保护。因此，设置一个关断时间，把这个时间忽略掉，超过这个时间点以后，再做电流检测，就可以绕开起动时的过流保护。

　　TI DRV8电机驱动系列的一个主要特点，就在于它的可靠性。另外，在DRV8系列中集成了MCU，这样，大家在使用的时候，就不需要在外部再附加单片机；或者，只需要用主处理器和驱动器通信，“告诉”它走几步或者发一个命令即可。这样便提高了电机驱动的易用性，而无需知道其后台是如何操作的。对于TI而言，电机驱动的发展方向也就是如此——尽可能做到器件方便操作和易于使用。

　　细分和混合衰减模式

　　步进电机需要进行细分控制。对于步进电机驱动器而言，可以将细分（1/8细分直到1/256细分）的索引表集成进去。另外，可以通过设置控制字（例如1/8细分驱动），在无细分、1/2细分、1/4细分和1/8细分之间进行选择。

　　步进电机每加一个脉冲，便会走一步。当没有脉冲或者是脉冲关断的时候，电流就会降下来，电机就会停步。但是由于电感很大，电流不能突变，这时便可以采用算法来控制电流的衰减速度。李志林谈道，衰减模式可以分为慢衰减模式和快衰减模式。将慢衰减和快衰减模式结合起来（混合衰减模式），便可以根据实际要求，对停步造成的系统噪声和电机运转的平滑度进行调整。

　　步进电机在驱动的时候，电流波形最好是正弦波，因为这时的谐波分量较低、EMI较小且控制精度也较高。但在细分的时候，会遇到一个问题：过零点的失真会导致误冲。这时，在驱动器中，可以采用动态的TBLANK（间隔时间），来减小波形过零点的失真；另外，可以采用可调的混合衰减模式（比如先快后慢），来减小di/dt过零时的电感放电失真。

　　漏源导通电阻RDS（ON）

　　某些电机驱动器当中集成了MOSFET，这样，其漏源导通电阻（RDS（ON））便决定了驱动器的发热情况。对于一个5A的电机，所有的电流都将流过它的线圈。若芯片当中集成了两个H桥，在驱动的时候，就相当于有两个半桥在导通（两个半桥相当于4个MOSFET）。这样，芯片的功耗就等于电流的平方乘以4RDS（ON）。因此，RDS（ON）越低，芯片的发热量便越小。例如，TI的DVR8818就是一款RDS（ON）极低的驱动器件（上管与下管RDS（ON）之和为0.37Ω）。

　　步进电机驱动器接口模式

　　步进电机驱动器大致有三种接口模式：PWM模式、Phase/Enable模式和Step/Direction模式。PWM模式即采用MCU程序进行控制；Phase/Enable模式即输出由相位（方向）和每个H桥的使能信号控制；Step/Direction模式则是根据脉冲和方向进行控制。

　　李志林解释道，某些传统的驱动器的电流规格类似，但在实际应用时，接口模式却不一样。接口模式不一样的话，在应用过程中就需要修改软件，因为这两种模式要求CPU发出的PWM脉冲的占空比和个数都不一样。这样，若将两种接口模式做成兼容，便可以采用一个管脚，选择是采用Step/Direction模式还是采用Phase Enable模式，而不用再为其更改软件（例如，DRV8834就是一种Step/Direction模式和Phase Enable模式可选的产品）。

　　无传感器BLDC

　　有刷电机与直流无刷电机（BLDC）的区别在于是否具有碳刷。有刷电机通过在转向器上刻上槽，用不同的炭刷去接触而实现换向。而BLDC则没有炭刷，因为炭刷的存在会影响其机械寿命。另外，有刷电机存在噪音——由于炭刷和不同的绕组之间存在绝缘点，有刷电机在切换的时候会打火。因此，将有刷电机替换为BLDC将会是一个趋势，同时，其效率也非常高。

　　李志林介绍，有些BLDC风扇采用霍尔器件来替换传统的换向器。由于霍尔器件需要电源供电，引线的数量将会较多。同时，霍尔器件本身存在使用寿命。因此，在高温和高可靠性的场合不宜采用霍尔器件。另外，霍尔器件体积的限制也决定了不可能把它放在其中。这种情况下，若采用无传感器BLDC（即无换向检测的BLDC），应如何实现换向，就要看硬件的高招了。有很多的算法专门做这种BLDC的驱动，比如采用反电动势检测的方法来实现。

　　BLDC风扇的要求在于：第一，起动没有问题。虽然没有相位检测，但在任何情况下都能起动。第二，不能出现反转的可能。这对可靠性的要求非常地高。TI的DRV10863便是一个双向的BLDC驱动器。通过集成1安培的高/低端MOSFET，这款产品使用起来非常方便。另外，它集成的过流保护，可以方便调节过流保护点。DRV10863采用无传感器BACK EMF控制方式去检测相位，其电流波形接近于正弦波，并采用150度梯形波进行调整。