運用 A4964KJPTR-T 馬達驅動器加速開發汽車與 IoT BLDC 馬達應用

從遠端物聯網 (IoT) 控制的車庫開啟器、車窗乃至衛星推進系統控制器，無刷 DC (BLDC) 馬達在眾多不同應用領域正日漸受到廣泛採用。設計人員在 BLDC 馬達方面所面臨的問題，在於驅動馬達所需的控制演算法複雜，而且通常需要特製演算法。因此一般工程師難以在合理時間內設置並開始發揮應用。

開發人員通常就只能選擇採用在微控制器上運作的軟體式解決方案，或是採用專用的積體電路 (IC)。前者可提供靈活的解決方案，卻會對微控制器帶來運算負擔；後者則可封裝完整的 BLDC 馬達控制功能，並可將主機的 BLDC 控制工作卸載。

本文將探討微控制器架構軟體解決方案與專用硬體晶片解決方案之間的差異。接著深入探討如何運用 Allegro MicroSystems 的 A4964KJPTR-T 馬達驅動器，專為汽車應用簡化 BLDC 馬達控制操作。本文將說明與 A4964KJPTR-T 互動的方式，並介紹一些避免意外行為的最佳作法。

BLDC 馬達的極簡介紹

BLDC 馬達在寬廣的速度範圍下提供高效率扭力輸出，不僅可安靜運作，更少了有刷馬達的機械摩擦困擾。BLDC 馬達是由電流控制，而非電壓控制，因此適合形狀、尺寸和價位點多樣化的眾多應用。

例如，TRINAMIC Motion Control 的 QBL4208-41-04-006 是 24 V、4000 RPM 馬達，可提供高達 0.06 Nm 的扭力 (圖 1)。此款馬達重量輕巧 (0.662 lbs)，可為開發人員提供多種馬達控制選項，例如運用反電動勢 (BEMF) 達到免感測器操作，或是使用可回報位置的內建感測器。

圖 1：QBL4208-41-04-006 是 24 V、4000 RPM 的 BLDC 馬達，可在最高速度下提供稍微超過 0.06 Nm 的扭力。(圖片來源：TRINAMIC Motion Control GmbH)

如需更多扭力，設計人員可採用同樣由 TRINAMIC Motion Control 推出的 QBL4208-41-04-025 (圖 2)。這是一款 24 V、4000 RPM 的 BLDC 馬達，可提供稍微超過 0.25 Nm 的扭力。

圖 2：TRINAMIC Motion Control 的 QBL4208-41-04-025 是一款 24 V、4000 RPM 的 BLDC 馬達，可在最高轉速下提供稍微超過 0.25 Nm 的扭力。(圖片來源：TRINAMIC Motion Control GmbH)

BLDC 馬達透過三相線路驅動，其會產生磁場來推動永久磁鐵，以移動轉子讓馬達運轉。

理論上看似簡單，但實際上要驅動 BLDC 馬達相當複雜，因此開發人員只能選擇使用軟體架構來驅動馬達，或是選擇採用專用晶片解決方案。

軟體與專用晶片解決方案

在解決如何運轉 BLDC 馬達的問題時，開發人員有幾個因素要納入考量。這些因素大致分為：

• BOM 成本與人力成本
• 板件複雜度與軟體複雜度
• 維護時間與成本

從硬體角度來看，由於專用晶片解決方案會增加一些額外的 BOM 成本，因此可能偏好選擇採用軟體途徑。如此可節省專用晶片的成本、在微控制器投入多一點資金，並將所有控制演算法集中設置在微控制器。此方法似乎可創造雙贏局面，但團隊往往未考量到這個決定帶來的全部後果。

這個方法確實可減少 BOM 成本，但微控制器要處理 BLDC 狀態資料，且會持續驅動馬達，反而會帶來額外負擔。若微控制器同時試著對其他感測器進行取樣、進行無線電通訊和控制其他裝置，只要未加留意，就會讓軟體開發與維護成本暴增。

儘管如此，微控制器的軟體式解決方案可帶來靈活性，因此團隊可微調馬達控制演算法。此外，使用軟體不代表就一定會變得更複雜。

例如，若將馬達控制演算法移至微控制器，通常會佔用更多 RAM，也需要大量的快閃記憶體。不過，若團隊採用專為馬達控制設計的微控制器，如 Texas Instruments 的 F280049CRSHSR 馬達控制微控制器，演算法已經內建在微控制器 ROM 的函式庫中。也就是說，要添加到應用程式中的額外程式碼，僅有存取函式庫的函式呼叫程式碼，就可靠函式庫處理所有繁雜工作。

BLDC 馬達的運轉並非只是軟體的工作，也需要硬體協助。圖 3 顯示採用 C2000 微控制器系列成員 F280049CRSHSR 的範例應用，說明驅動 BLDC 馬達時所有必備與選配項目。除了微控制器外，還需要一些三相功率級，以便驅動 BLDC 馬達三個相位達到轉動。

圖 3：Texas Instruments 的 C2000 微控制器專為馬達控制應用而設計。此圖顯示的範例應用，在中間採用微控制器，並具有驅動 BLDC 馬達所需的必要與選配電路。(圖片來源：Texas Instruments)

使用微控制器驅動馬達絕對非常有趣，但專用硬體解決方案又是如何？讓我們一起瞭解 Allegro MicroSystems 的 A4964KJPTR-T 馬達驅動器晶片。

Allegro MicroSystems 的 A4964KJPTR-T 馬達驅動器

Allegro MicroSystems 的 A4964KJPTR-T 馬達驅動器晶片是一款專用 BLDC 馬達驅動器，內含驅動馬達必備的所有智慧功能 (圖 4)。此晶片專為汽車應用而設計且需搭配 N 通道 MOSFET 使用，具有無感測器啟動與通訊功能，因此僅需最少量的外部硬體。A4964KJPTR-T 亦可在 5.5 V 至 50 V 的寬廣電壓範圍內運作，可涵蓋幾乎各種標準應用與汽車系統。

A4964KJPTR-T 最有趣的特點在於，可透過序列周邊裝置介面 (SPI) 介接至微控制器或中央電子控制單元 (ECU)，以針對馬達運作配置多種暫存器。微控制器顯然不需要具備可自行執行馬達控制演算法的強大功能。

圖 4：A4964KJPTR-T BLDC 馬達驅動器可在 5.5 V 至 50 V 的電壓範圍內運作，且提供無感測器的啟動與通訊功能。可透過 SPI 或專用 PWM 訊號來設定馬達速度。(圖片來源：Allegro MicroSystems)

另一個有趣的地方在於，只要提供脈寬調變 (PWM) 訊號，即可在無需 SPI 的情況下，驅動 A4964KJPTR-T 馬達速度。非揮發性記憶體中存有馬達設定值，可在啟動時載入，因此只要透過 PWM 訊號即可控制馬達。

從配置角度來看，A4964KJPTR-T 具有 32 個可定址 16 位元暫存器，以及一個狀態暫存器。狀態暫存器的獨特之處在於，每次於 SPI 執行讀取／寫入作業時皆會傳輸前 5 個位元，能讓軟體檢查一般狀態，查看是否有任何故障或問題。由於 A4964KJPTR-T 沒有回傳任何資料，因此在對晶片進行寫入操作期間，可以讀取所有狀態暫存器。

32 個可定址暫存器中，有兩個特殊暫存器。暫存器 30 為唯寫，暫存器 31 則為唯讀。唯寫暫存器可讓開發人員使用 0 至 1023 的值，設定驅動馬達時的需求輸入值或工作週期率。唯讀暫存器資料會根據寫入至暫存器 29 (回讀選取暫存器) 的要求資料而變更。此暫存器可取得多種遙測資訊，例如：

• 診斷
• 馬達轉速
• 平均電源電流
• 電源電壓
• 晶片溫度
• 需求輸入值
• 已套用的橋接器峰值工作週期
• 已套用的相位超前

除了這些特殊暫存器外，剩餘的 30 個暫存器可微調特定馬達應用，並可啟用或停用故障，例如電流限制和閘極驅動故障。

專用馬達驅動器的有趣之處在於，可將馬達運轉所需的所有配置都集中到數十個組態暫存器中。這可大幅降低微控制器的所有軟體開銷，更重要的是能顯著減少軟體開發與維護成本。接著只要傳送 PWM 即可驅動 BLDC，不會對微控制器造成任何負擔，或是只要啟用馬達位元並提供 SPI 型需求輸入值，便可讓 BLDC 運轉。

A4964KJPTR-T 的使用提示與訣竅

A4964KJPTR-T 的介接方式相當直覺，但開發人員需謹記以下幾項「提示與訣竅」，便可簡化並加速開發：

• 狀態暫存器在每次寫入晶片時會返回 SPI 介面，無法當作專屬可定址暫存器使用。這表示驅動器程式碼必須監測 SPI 匯流排 SDO 線路，同時寫入至晶片，以便取得狀態資訊。
• 故障資訊包含在狀態暫存器中，但在微控制器提供位址存取資訊時，可在前五個位元的每次 SPI 異動中取得晶片狀態概覽。此資料可用來判斷是否發生任何問題。
• 在記憶體對應中有兩種獨特暫存器：唯讀與唯寫。此運作方式非常直覺，但請勿嘗試從唯寫暫存器中讀取，否則會將目前用於讀取序列的任何虛擬資料寫入至暫存器。
• 晶片具有一些非揮發性記憶體，可用來儲存預設參數。這些參數會載入到 RAM 中，並在啟動時使用。為了確保晶片以最有效率的方式啟動進入就緒狀態，「安全」啟動值已經編程在晶片中。
• 若終端裝置是在吵雜或輻射環境中運作，可考慮將應用程式碼設計成會定期重新觸動配置資料。晶片組態儲存在 RAM 中，因此容易受到宇宙射線、位元反轉，以及電子元件可能發生的任何新奇罕見現象所影響。

結論

BLDC 馬達已普遍應用於汽車、IoT 或其他應用，但其驅動方面相當複雜。為了管理軟體複雜度，開發人員可使用諸如 A4964KJPTR-T 等專用 BLDC 馬達驅動器，其囊括了所有馬達控制功能。

雖然仍舊需要藉助軟體與晶片進行互動，但執行軟體的微控制器僅須設定配置設定值，便可交由 A4964KJPTR-T 驅動馬達。只要開發人員依照「提示與訣竅」，便可在嘗試使用 A4964KJPTR-T 時省下不少時間與麻煩。