這篇文章是我們運動(dòng)控制技術(shù)文章系列的第三篇（第一篇 |第二篇）。

如果您正在設計電機驅動(dòng)應用，以往您可能會(huì )使用如雙極結型晶體管 (BJT) 等多個(gè)分立式元件來(lái)實(shí)現電機控制。盡管這種方法通常成本更低，但使用的元件總數更多，占用的布板空間更大，花費的設計時(shí)間更長(cháng)，復雜度也更高。使用多個(gè)元件還可能會(huì )影響系統可靠性。

隨著(zhù)應用的復雜度增加、功率提高、占用空間減小，集成變得至關(guān)重要。集成解決方案可以縮短設計時(shí)間、簡(jiǎn)化采購流程以及節省成本，同時(shí)還可以確保電機系統更加可靠和高效。

在本文中，我將對不同的電機控制實(shí)現方案進(jìn)行比較，包括分立式和完全集成式選項，從而幫助您找到適合您設計的方法。表 1 比較了各種電機控制選項的集成度。

表 1：用于驅動(dòng)電機的集成度

采用分立式方法進(jìn)行電機控制

圖 1 展示了控制單元（如微控制器 (MCU)）處理電機狀態(tài)的反饋，并發(fā)送信號來(lái)調節電機的扭矩、位置和速度。柵極驅動(dòng)器將來(lái)自 MCU 的信號放大，以驅動(dòng)電機的金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET)。

圖 1：基本電機控制方框圖

您可以使用 BJT 圖騰柱/推挽電路作為柵極驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)單個(gè) MOSFET，如圖 2 所示。盡管此方法成本很低且易于實(shí)現，但 BJT 圖騰柱電路所需的外部元件數量較多且占用的布板空間較大。此外，您必須復制此分立式電路，因為您需要多個(gè) MOSFET 來(lái)驅動(dòng)電機，致使所需的元件數量和布板空間成倍增加。

圖 2：采用分立式 BJT 圖騰柱/推挽電路實(shí)現柵極驅動(dòng)器方框圖

第一個(gè)集成選項：柵極驅動(dòng)器 IC

基本柵極驅動(dòng)器 IC 將圖騰柱的功能集成到單個(gè)封裝內。最近的工藝技術(shù)不斷創(chuàng )新，使得柵極驅動(dòng)器 IC 與分立式 BJT 一樣實(shí)惠。

在選擇柵極驅動(dòng)器 IC 時(shí)需要考慮幾個(gè)注意事項，例如通道數以及最適合電機功率級別的電壓和電流能力，如圖 3 所示。

集成式柵極驅動(dòng)器 IC 包括：

• 單通道柵極驅動(dòng)器（如德州儀器 (TI) 的 UCC21732），通常用于驅動(dòng)高側和低側高壓 (>700V) 電源開(kāi)關(guān)（如絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 和碳化硅 (SiC)）的交流電機。

• 雙通道半橋柵極驅動(dòng)器（如 UCC27712），用于驅動(dòng) IGBT 和 MOSFET 的 100V 至 700V 電機 

• 四通道 H 橋驅動(dòng)器和六通道三相電機柵極驅動(dòng)器（如 DRV8329），專(zhuān)為低壓 MOSFET (<60V) 直流電機設計

隨著(zhù)電機功率級別的變化，使用柵極驅動(dòng)器可以保持以前的設計，同時(shí)只改變外部 FET 以適應新的電壓和電流電平。

圖 3：驅動(dòng)外部 FET 的柵極驅動(dòng)器 IC 類(lèi)型

柵極驅動(dòng)器涵蓋具備基本功能（如防止跨導的欠壓鎖定和聯(lián)鎖保護）的驅動(dòng)器，以及具備高級功能（如用于壓擺率控制和自動(dòng)死區控制的智能柵極驅動(dòng)技術(shù)）的驅動(dòng)器。了解有關(guān)這些柵極驅動(dòng)器的更多信息，請參閱“了解智能柵極驅動(dòng)”應用手冊。

傳統上而言，由以下外部元件設置壓擺率：兩個(gè)源極和漏極電阻器（用于限制 MOSFET 柵極的電流）、一個(gè)二極管（用于單獨調節上升和下降速率），以及一個(gè)下拉電阻器。借助智能柵極驅動(dòng)技術(shù)，可以不再使用這些元件，而且可通過(guò)串行外設接口靈活調節壓擺率。

六通道驅動(dòng)器采用智能柵極驅動(dòng)技術(shù)，無(wú)需使用多達 24 個(gè)分立式元件，節省了布板空間，也減少了物料清單 (BOM) 數量。柵極驅動(dòng)器還集成了其他保護和診斷功能，包括電流檢測、過(guò)流和過(guò)熱保護、故障檢測甚至隔離功能，這進(jìn)一步減少了元件數量。

第二個(gè)集成選項：電機驅動(dòng)器 IC

電機驅動(dòng)器 IC 包括柵極驅動(dòng)器和集成 FET，非常適合低功率電機系統 (<70W)，如圖 4 所示。與柵極驅動(dòng)器相比，電機驅動(dòng)器 IC 的占用空間更��；集成了 FET 功率級，從而簡(jiǎn)化了設計原理圖和布局。與柵極驅動(dòng)器 IC 一樣，電機驅動(dòng)器 IC（如 DRV8962）也集成了保護和診斷功能。

圖 4：具有集成 FET 的 H 橋和三相電機驅動(dòng)器

在選擇電機驅動(dòng)解決方案時(shí)，務(wù)必要考慮內部 FET 的 R_DS(ON)、峰值電流和均方根電流�？紤]到內部 FET 的功率耗散，還需要執行熱計算。

第三個(gè)集成選項：集成控制柵極驅動(dòng)器 IC

與前兩個(gè)選項不同，集成控制柵極驅動(dòng)器 IC（如 MCT8329A）無(wú)需 MCU 即可進(jìn)行電機控制。這些 IC 仍然具有具備保護和診斷功能的柵極驅動(dòng)器，同時(shí)納入了控制算法而無(wú)需 MCU 輔助，如圖 5 所示。

電機換向算法的實(shí)現可能很復雜，無(wú)論是梯形控制、正弦控制還是磁場(chǎng)定向控制。集成控制柵極驅動(dòng)器 IC 提供了一種無(wú)代碼解決方案，可在內部處理?yè)Q向算法，從而幫助您縮短設計時(shí)間，簡(jiǎn)化編碼、調試和測試的復雜性。

圖 5：集成控制三相柵極驅動(dòng)器

借助集成控制柵極驅動(dòng)器 IC，通過(guò)傳感器控制或無(wú)傳感器控制可靈活實(shí)現電機換向。采用傳感器控制方法，可以使用外部霍爾效應傳感器來(lái)檢測轉子位置；這些 IC 可以采用霍爾效應傳感器輸入，并利用電機控制算法來(lái)安靜高效地驅動(dòng)電機。相比之下，采用無(wú)傳感器控制實(shí)現方法，無(wú)需使用外部霍爾效應傳感器，從而減少了布板空間和 BOM。如果選擇無(wú)傳感器集成控制柵極驅動(dòng)器 IC，則需要通過(guò)集成電流檢測測量反電動(dòng)勢（反 EMF）電壓，并在內部計算電機位置。

第四個(gè)集成選項：集成控制、柵極驅動(dòng)器和 FET IC

最后一個(gè)集成選項通常稱(chēng)為“完全集成”，如圖 6 所示。集成控制、柵極驅動(dòng)器和 FET IC（如 MCF8315A）將無(wú)代碼控制功能、具有保護和診斷功能的驅動(dòng)器以及 FET 集成在一個(gè)芯片內，因此占用的布板空間更小、BOM 更少。與電機驅動(dòng)器 IC 選項類(lèi)似，集成控制、柵極驅動(dòng)器和 FET IC 解決方案受到內部 FET 的功能限制，因此需要進(jìn)行電流和熱計算。

圖 6：完全集成 - 電機控制、驅動(dòng)器和 FET

結語(yǔ)

這些不同級別的 IC 不僅可滿(mǎn)足電機的功率級別要求，還可以縮短設計時(shí)間、節省成本和降低復雜性。集成器件還可以解決家用電器中的可聞噪聲以及工廠(chǎng)自動(dòng)化和機器人技術(shù)中的高精度控制等難題。

關(guān)于德州儀器（TI）

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