如何实现 BLDC 电机的高性能控制？

使用 BLDC 的应用设计师们，是否曾希望“让电机运行得更加平稳、安静、节能且精准”？本文将介绍 ADI Trinamic™ 系列电机驱动器，该系列能够简单且灵活地实现理想的电机运行效果。

BLDC 电机的驱动方式可分为方波电压驱动、正弦波电压驱动和 FOC 驱动 (正弦波电流驱动) 三种。为了精确控制电机的运动，关键在于将电流和电压都控制成正弦波。若施加的电压幅值和相位与电机旋转不匹配，就会产生功率损耗，导致效率降低。

■ 方波电压驱动

这是一种结构简单的方案，每 60 度换相时施加电压。电流波形近似矩形，从而导致振动和噪音。虽然控制简单，但运行粗糙，效率较低。

■ 正弦波电压驱动

与方波相比，这是一种效率更高、运行更安静且噪声更低的方式。通常配置 3 个霍尔传感器，并根据检测到的旋转位置切换电流。虽然旋转比方波电压驱动更平滑，但由于会产生无用电压，因此效率仅处于中等水平。

■ FOC 驱动

与正弦波电压驱动相比，该方法具有更高的分辨率和更高的效率。它会持续监测所有相的电流，并根据电机的运行状态施加电压，能够以高效率实现安静、平稳的运行。特别是对于机器人手臂、机床的前端以及 AGV (无人搬运车) 的底盘等需要精细动作和高效率的应用，FOC 驱动尤为适用。

另一方面，FOC 驱动需要实时分析并控制电机状态，复杂的运算是不可或缺的。这要求对软件进行精细开发，而开发工时也因此成为了一大难题。此外，在像机械臂这样的多轴控制应用应用中，还需大量使用 DSP (数字信号处理器) 等高性能处理器。

本文介绍的 ADI Trinamic™ 系列 (以下简称 Trinamic™) BLDC 驱动器内置了硬件级 FOC 控制功能，它能够以较轻的处理器开销实现安静、平滑且节能的电机控制。接下来，让我们具体了解一下 Trinamic™ 的特点。

下图 (图2) 是采用 Trinamic™ 的 BLDC 电机 FOC 控制系统的一种配置示例。此处将介绍采用传感器的方式。

Trinamic™ 除了具备标准的 FOC 控制功能外，还在硬件层面集成了速度和位置控制功能。因此，无需在主 MCU 上实现电机控制算法，只需通过 SPI 通信等方式设置寄存器，即可实现高级控制。该器件还内置了功率级栅极驱动器，可简化设计。

通过使用 Trinamic™，可以获得以下效果。

传统的 FOC 驱动由于将电机控制功能以软件形式实现，因此开发工作量巨大。规格变更也十分繁琐，即使只是系数发生变化，也需要进行大量重新验证。而 Trinamic™ 可在硬件端实现电机控制，软件端仅需完成通信即可，这使得开发工作量得以大幅减少。此外，因为在运行过程中也能更改参数，所以可以在确认实际运行状况的同时，高效地推进开发工作。

由于能够兼容各种传感器，也确保了设计的自由度，既能减少开发工作量，又能实现精细的电机控制。由于可以减少由软件引起的故障，从而整个系统的可靠性也得到了提升。

通过简化软件端的处理，可以减轻 MCU 的运算负担。由于不再需要高性能的 MCU，因此可以采用成本更低、功耗更低的 MCU。既能降低成本，又能实现节能。

在传统的架构中，每个电机驱动器都必须配备一个控制用 MCU。而 Trinamic™ 仅需一个主 MCU 即可控制多个电机驱动器。这不仅能减少元器件数量，还能缩小电路板面积并降低成本。

Trinamic™ 将所需的周边元件和栅极驱动器集成到器件中。凭借简单的电路结构，可缩小电路板面积。

Trinamic™ 提供从单片集成电路到模块及电机等广泛的产品系列。用户可根据应用需求灵活选择解决方案。其中值得关注的是名为“Motion Cookie™”的新型模块。

Motion Cookie™ 是一款将电机控制所需功能紧凑整合、可直接表面贴装至电路板的小型模块。该模块内置 MCU、栅极驱动器和 CSA (电流检测放大器)，相比使用单个 IC，能更高效地进行设计。

与传统模块的最大区别在于，它不包含功率级。这既能简化设计，又能利用企业自身的技术专长进行功率级设计。

TMCM1690 是面向 BLDC 的 Motion Cookie™ 系列中的代表性产品。该产品广泛集成了电机控制所需的功能，能够满足各种需求。

可自由选择输出级晶体管，最大可支持约 100A。支持 60V 耐压，不仅适用于 24V 系统，还可用于工业领域需求较大的 48V 系统。支持编码器、霍尔传感器等多种反馈方式，尺寸仅为 27mm×22.5mm，适合节省空间的设计。

其显著特点之一是内置了 S 形曲线等高级运动控制功能。通过平滑的加速和减速，可有效抑制抖动和冲击。此外，通过可在低速和高速下设置不同参数的“Lower Velocity PI”功能，可实现精密的动作控制。该产品还搭载了制动功能和诊断功能。

• 单轴 FOC 伺服控制器栅极驱动器模块
• 适用电机：三相 BLDC 电机及直流电机
• 供电电压范围：+10V～+60V 直流
• 栅极驱动电流：可选 0.5A/1.0A/1.5A，最大 1.5A
• PWM 频率：最大 120kHz  (可在 20kHz～120kHz 范围内设置)
• 内置电流检测放大器
• 支持的位置反馈：增量式编码器 (ABN) 、数字霍尔传感器、绝对式编码器 (SPI/SSI)
• 模块尺寸：27mmx22.5mm，结构紧凑
• 通信接口：UART (RS232)、CAN 及 EtherCAT® (SPI PDI)
• 支持协议：TMCL、CANopen、CANopen-over-EtherCAT (CoE)

• 运动控制
  • 同时支持线性加减速曲线和 S 型加减速曲线。S 型加减速曲线通过加速度的线性变化，可实现更平滑的运动，并大幅降低系统内的共振。
  • 借助“Lower Velocity PI”功能，可在低速范围内设置不同的 PI 参数，从而实现更精确的控制和平滑的运动。

• 制动功能
  • 支持可使用独立电源的机械制动器，可设置释放占空比、保持占空比、释放时间等参数。
  • 配备制动斩波功能，用于消耗电机减速时回馈到电源线的能量，从而防止系统损坏。
  • 支持 PWM 制动和电阻/分流制动两种类型。

• 诊断与保护
  • 具备监控能耗的 IIT (时间积分平方电流) 监测功能。若在设定时间内超过限值，将停止电机并设置 IIT 错误标志。

Trinamic™ 可通过 GUI 工具“TMCL-IDE”轻松完成配置。只需按照屏幕上的提示输入运行条件，即可完成配置。该工具支持即插即用，可在确认实际运行状况的同时进行配置，因此能够在短时间内实现灵活多样的电机控制。

下表对比了本次介绍的 Motion Cookie™ 产品 TMCM1690、传统模块产品 (TMCM1617) 和 IC 单品 (TMC4671)，可供功能差异参考。TMCM1690 主要适用于需要安静、平稳运行及低功耗的应用场景，可在多种场合中得到广泛应用。

• 3D 打印机
• 工业自动化
• 机器人、AGV
• 实验室自动化
• 医疗与健康护理
• 电池驱动
• 家庭自动化

本文介绍了 BLDC 电机驱动方式的差异，以及 Trinamic™ 通过简单软件实现精细 FOC 控制的特点。要让 BLDC 电机安静、平稳且节能地运行，FOC 驱动是一种有效的方法。Trinamic™ 大幅减少了以往 FOC 驱动中软件开发的工作量，仅需简单设置即可实现灵活的电机控制。作为 Motion Cookie™ 系列产品推出的代表性产品 TMCM1690，具有可自由设计功率级这一优势，能够轻松实现 S 形斜坡等高级运动控制。

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