無刷電機控制之電機控制芯片選型

（本文編譯自Electronic Design）

無刷直流（BLDC）電機控制通常拆分為多項功能，這些功能必須精準協同，才能保證電機運轉平穩、均衡且高效。

首先，位置控制環路將電機目標位置與實際檢測位置進行對比。依據預設運動軌跡，輸出目標電流指令，該指令對應將電機運轉至目標位置所需的轉矩大小。部分應用場景無需位置控制，而是需要速度控制，此時無刷直流電機控制器會采用速度伺服環路，而非位置伺服環路。

隨后系統對電流指令進行換相處理，將電流分配至電機各繞組。接著電流控制環路檢測各繞組的實際工作電流，并調節輸出電壓，使實際電流盡可能貼近指令電流。脈沖寬度調制（PWM）逆變橋因其效率極高、控制簡便，被廣泛用于向電機繞組施加這類電壓。

那如何選擇無刷直流電機控制器，以及各項控制功能的常見劃分方式呢？下文將介紹幾種主流架構方案。

方案一：內置放大器型無刷直流電機控制芯片

第一種方案采用內置放大器的低成本無刷直流電機控制芯片（見圖1），這可直接向電機各繞組輸出電壓指令，無需外接獨立PWM逆變橋來驅動電機繞組。主控端通常為微控制器（MCU），可通過模擬電壓、串行外設接口（SPI）數字信號或異步串行接口，向電機控制芯片發送控制指令。

圖1：內置放大器的無刷直流控制芯片。

這類方案通常支持速度控制功能，例如無感控制。但其存在多項局限，如電流驅動能力偏低（通常僅1至4安培），且無法適配更高級的電流控制方式。

該類芯片大多為專用型器件，專門用于風扇控制等場景。因此，這類全集成電機控制芯片很少應用于通用運動控制場合。

方案二：無刷直流電機轉矩控制芯片

第二種方案采用無刷直流電機轉矩控制芯片（見圖2）。這類器件通常集成換相與電流控制功能，涵蓋從電流檢測輸入、磁場定向控制（FOC）算法到逆變橋控制的完整信號鏈路。

圖2：轉矩控制型無刷直流芯片支持換相、電流控制以及磁場定向控制（FOC）。

在這類架構中，由外部電路或主控MCU輸入數字或模擬轉矩指令。該類部分電機控制芯片還提供高階通信接口，如串行外設接口（SPI）、CAN、RS-232或RS-485。該接口可連接MCU或PC，便于采集運動軌跡數據，用于評估電機性能并優化電機控制芯片的控制參數。

此類無刷直流電機控制芯片，適用場景十分廣泛，涵蓋旋蓋設備、泵控、無人機螺旋槳控制、船舶螺旋槳控制、機器人車輪控制等諸多領域。這類器件也常搭配外圍控制電路使用，外圍電路接入編碼器信號、閉合位置或速度控制環路，并持續向電機轉矩控制芯片發送轉矩指令流。

方案三：無刷直流電機速度控制芯片

該方案采用無刷直流電機速度控制芯片（見圖3）。這類芯片集成多項功能，包括速度軌跡生成、速度閉環控制、編碼器或測速計信號輸入、換相以及電流調節。其通常具備完整的電流控制信號鏈路，從電流檢測信號輸入，到磁場定向控制（FOC）運算，再到逆變橋控制信號輸出。

圖3：一款具備軌跡規劃、編碼器輸入及電流調節功能的速度控制型無刷直流芯片。

這類電機控制芯片的工作原理與電機轉矩控制芯片相近。但其輸入不再是主控MCU或外部電路發來的轉矩指令，而是數字或模擬形式的速度指令。此外，也可通過SPI、CAN、RS-232、RS-485等高層通信通道發送指令數據包，設定運動軌跡參數。

除下發速度軌跡指令外，該通信通道還可采集運動軌跡數據，用于分析電機應用工況性能，并優化芯片控制參數。主控發送的指令數據包可實現諸如“將軌跡加速度設為123456”、“上報編碼器位置”等功能。數據包指令可用于設置控制參數、執行運動軌跡、查詢控制器狀態等多種操作。

無刷直流電機速度控制芯片的典型應用包括：泵控制、離心機控制、主軸控制、風機控制、閘機與門控、輸送系統、包裝設備、食品加工設備以及移動機器人車輪控制等。

方案四：無刷直流電機位置控制芯片

第四種方案采用無刷直流電機位置控制芯片（見圖4）。這類芯片集成高性能位置控制應用所需的絕大部分核心功能，包含運動軌跡生成、位置閉環控制、編碼器輸入、換相及電流控制。

圖4：一款集成軌跡生成、PID控制、編碼器接口及FOC的位置控制型無刷直流芯片。

與轉矩控制、速度控制型電機控制芯片一樣，這類芯片通常支持從電流檢測信號輸入（此處為模擬輸入信號），到磁場定向控制（FOC）及逆變橋控制信號輸出的全部鏈路。

控制此類芯片需通過SPI、CAN、RS-232、RS-485等通信通道下發指令。主控MCU通過該接口發送指令數據包，設定運動行為并查詢系統狀態。

例如指令可包括：設置軌跡類型為S曲線點位運動、上報編碼器位置、設定軌跡加速度為100等。這些指令數據包用于配置無刷直流電機控制芯片內部參數、啟動并管理運動軌跡、監測電機控制系統狀態。

該架構有一種常見衍生版本，可接收外部連續位置指令數據流。數據可通過SPI或其他接口傳輸，適用于搭載中央主軌跡發生器、可同時控制多軸運動的系統。

相較于僅支持轉矩或速度控制的無刷直流控制芯片，位置控制芯片除標配正交編碼器外，通常還提供更多運動外設支持?？杉嫒軧iSS-C數字串行編碼器、模擬正余弦編碼器、SPI接口編碼器等多種類型，同時支持絕對式與增量式位置反饋。

無刷直流電機位置控制芯片典型應用場景：實驗室自動化、連續輪廓運動、包裝機械、半導體專用設備、機器人、離心機控制、呼吸機、貼片機、包裝設備、食品加工設備、醫療康復設備等。

方案五：無刷直流電機控制驅動器

最后一種方案采用PCB板級或模塊式無刷電機驅動器，集成軌跡生成、位置環控制、編碼器輸入、換相、電流控制及功率放大全功能（見圖5）。市面上現成的無刷電機驅動器品類豐富，從簡易無刷電機換相與功率放大器件，到集成軌跡生成、數據記錄、過流保護等安全功能及磁場定向控制（FOC）的高端產品均有覆蓋。

圖5：集成了軌跡規劃、位置控制、磁場定向電流控制以及功率放大功能的模塊化無刷直流驅動器。

這類電機驅動器通常從外部設備接收指令數據包，以設定所需控制參數與運動軌跡。其又可細分為幾類架構：緊耦合系統，從主軌跡發生器接收連續的位置或轉矩數據流；松耦合系統，接收高層完整運動指令，運動軌跡由驅動器內部自行生成。

還有一類主流替代方案，支持將用戶應用程序或運動流程下載至驅動器內部并直接運行，這類驅動器常被稱作智能無刷直流驅動器或獨立式無刷直流驅動器。

多數無刷直流控制驅動器除支持正交編碼器外，還兼容多種運動外設接口，包括BiSSC數字串行編碼器、模擬正余弦編碼器、SPI總線編碼器，以及其他支持絕對式和增量式位置輸入的編碼器。

無刷直流控制驅動器功率覆蓋范圍極廣，從100W及以下直至2.5kW以上均有對應型號。該類無刷直流驅動器還可通過各類現場總線與主控設備通信，包括RS-485、CAN總線、CANopen、Profibus、Profinet、DeviceNet、以太網、EtherNet/IP以及EtherCAT。