如何使用高度整合的 IC 快速開始無刷直流馬達控制設計

在物聯網 (IoT) 和汽車電氣化的大力推動下，機械系統正加速轉向電子控制，設計人員也因此陸續將低功率馬達用於相關應用的基本任務上，包括家電、門鎖、遙控百葉窗及汽車幫浦、座椅、車窗和車門等。這些直流馬達無處不在，但通常又很隱蔽，額定值範圍從小馬力、次分馬力到多馬力都有。

雖然馬達的改進，以及馬達控制技術的完善和使用簡便性加速了普及速度，但設計人員依然不斷面臨壓力，必須要提高效率和降低成本，同時達到更高準確度和可靠度。

不同款式的無刷直流 (BLDC) 馬達和步進馬達 (另一種無刷直流馬達)，可幫助設計人員達到日益苛刻的效能和成本目標，但前提是必須慎選馬達控制器和馬達驅動電路。控制器須向馬達的電子驅動開關 (通常為 MOSFET) 提供適當的驅動訊號，且須謹慎控制時序和持續時間。此外還要控制馬達的上升／下降軌跡，以及偵測和適應馬達或負載無法避免的軟體問題和硬體故障。

本文將介紹 BLDC 馬達控制 IC 所提供的功能。文中以宏觀的角度檢視 BLDC 馬達的電氣特性，並說明精密控制器如何使用 Renesas 的 RAJ306010 系列馬達控制 IC，讓 BLDC 馬達達成應用目標。

馬達控制路徑和馬達

從運動控制軟體到馬達的這一段路徑中，包含運作軟體的處理器、用於馬達電源開關裝置的閘極驅動器以及馬達 (圖 1)。此外，也有可能有一條路徑是從馬達的感測器經過類比前端，再回到處理器，可藉此提供有關馬達轉子位置或速度的資訊，以確認效能並關閉回授迴路。

圖 1：當今的馬達控制從處理器中的韌體型式嵌入式軟體開始，可藉此控制閘極驅動器，然後再將電源切換到馬達繞組；可能還有一條由感測器驅動的回授迴路，從馬達再返回到處理器。(圖片來源：Renesas)

設計人員有兩種主流的直流驅動無刷馬達可供選擇：BLDC 馬達和步進馬達。這兩種馬達都是靠內部永久磁鐵之間的磁交互作用，以及電磁線圈的開關動作來發揮功能。這兩者中該選擇哪一種，端視其在預定應用中有何優缺點而定。

一般而言，BLDC 馬達非常可靠且有效率，能在一定速度範圍內提供相當大的扭力。馬達定子磁極會依序通電，進而帶動轉子 (及其永久磁鐵) 轉動。BLDC 馬達周圍通常有三個電子控制的定子 (圖 2)。

圖 2：BLDC 馬達定子會依序通電，進而帶動永磁轉子轉動。(圖片來源：Renesas)

BLDC 馬達的主要特性包括：反應靈敏、加速快、可靠、使用壽命長、高速操作，以及高功率密度。醫療設備、散熱風扇、無線電動工具、轉盤和自動化設備等應用，通常會優先選擇此類馬達。

步進馬達的工作原理與 BLDC 馬達類似，不同之處在於其將整個旋轉切分成大量的等角步階 (通常為 128 或 256)，以更小的旋轉運動來移動。馬達轉子並非連續旋轉，而是依序驅動，以這些小角度步階逐步轉動或步進 (圖 3)。由於轉子與通電的定子磁極所產生的磁場同步，因此可以準確定位。

圖 3：步進運動的轉子和永久磁鐵的四周，圍繞著大量的定子磁極；以控制的順序對這些磁極通電後，轉子就會轉動並以小角度逐步步進。(圖片來源：Renesas)

步進馬達可靠、準確且加速和反應快。透過步進操作及馬達結構，即使在光碟機、平台掃描器、印表機和繪圖機等精密應用中，開放迴路式控制和定位穩定性通常已經足夠。若是進階應用，則可加入回授感測器和封閉迴路控制，額外對精準度和效能進行確認。

BLDC 馬達控制選項

交流電感馬達或有刷直流馬達主要是透過調整電源電壓來控制轉速和扭力，BLDC 馬達則不同，是透過精確控制電源開關 MOSFET 的開啟與關閉時序來進行控制。這種作法能讓馬達精確有效地處理多種任務。

這些要求從提供較高的每分鐘轉速 (RPM)，以滿足無線吸塵器移動大量空氣所需的吸力；到提供電動工具所需的高啟動扭力，特別是在馬達因負載而失速時。在許多應用中，馬達還必須能處理大型負載變化，此時就需要有快速的回應時間來維持一致的 RPM。

BLDC 馬達的常用控制策略是：基本的 120° 開／關控制和向量控制。若是 120° 開／關控制，BLDC 馬達的三個線圈中，有兩個會通電，並且會輪流切換六種通電模式，以支援任一方向的旋轉 (圖 4)。

圖 4：BLDC 馬達的定子磁極 (左) 可順時鐘或逆時鐘方向依序通電 (右)，因此可依照應用需求，以任一方向驅動轉子。(圖片來源：Renesas)

在此模式下，定子線圈會透過開／關電流 (方形波) 通電，產生梯形加速曲線，即馬達會逐漸加速、維持速度，然後在線圈斷電時逐漸減速。此作法的優勢在於非常簡便且操作直覺。

但是，容易因負載變化和其他變化而發生效能波動，而且對某些應用來說，精確度和效率也不夠高。透過調整 MOSFET 的開／關時序，以及使用比例-積分-微分 (PID) 或比例-積分 (PI) 控制，馬達控制器中的精密演算法可在一定程度上克服這些缺點。

有個替代方案逐漸受到歡迎，就是向量控制，也稱為磁場導向控制 (FOC)。在此方法中，全部三個線圈都會透過連續控制旋轉磁場進行通電，相較於 120 度控制，運動更加順暢。如今，FOC 已應用於許多大眾市場產品，例如洗衣機。

在 FOC 中，每個定子線圈的電流均由進階演算法測量和控制，且需要進行複雜的數值處理。此演算法也必須持續將三相 AC 值轉換成雙相 DC 值 (此流程稱為座標相位轉換)，以簡化控制所需的後續方程式和運算 (圖 5)。若執行妥當，FOC 可達到非常準確且有效的控制。

圖 5：部分 FOC 演算法需要透過座標相位轉換來簡化複雜的數值處理運算。(圖片來源：Renesas)

回授感測器選項

BLDC 馬達可在沒有回授訊號的開迴路拓撲中進行控制，也可以透過閉迴路演算法搭配馬達感測器的回授進行控制。這要視應用的準確度、可靠性和安全性而定。

若增加回授感測器，則會增加成本和演算法的複雜性，不過也會提升計算的可信度，因此已是許多應用的必備項目。根據應用的不同，最注重的動作參數可能是轉子位置或轉速。這兩個因素密切相關：轉速是位置的時間導數，而位置是轉速的時間積分。

實際上，幾乎所有的回授感測器都能指示位置，且控制器可以直接使用其訊號或計算出導數來確定轉速。在較簡單的情況下，回授感測器的主要作用是針對基本馬達效能進行與安全性相關的檢查，或當作失速指示器，而不是封閉迴路控制。

常用的回授感測器有四種：霍爾效應裝置、光學編碼器、解角器和電感式感測器 (圖 6)。每種感測器的效能特性、解析度和成本都有所不同。

圖 6：若使用者的系統需要馬達回授訊號，有多種感測器可供選擇，包括霍爾效應裝置、編碼器、解角器以及電感式感測器。(圖片來源：Renesas)

霍爾效應裝置通常是公認最簡單、最容易安裝的感測器，足以因應許多情況。光學編碼器有多種解析度可供選擇，從低解析度到中高解析度，但安裝頗有難度，而且長期而言，可能會有可靠性的問題。解角器和電感式感測器的體積較大、重量更重且成本更高，而且有一些介面問題，但解析度很高且長期效能佳。

供應電流

無刷馬達 (無論是 BLDC 還是步進馬達) 的磁極都是電磁「線圈」，因此必須靠電流而非電壓來驅動。為了正確地讓這些磁極通電，馬達控制系統必須透過「開啟／關閉」開關 (多數情況下為 MOSFET)，以精確的時序、脈衝寬度和受控的迴轉率高效準確地驅動馬達，以便提供電流。此外，驅動配置還必須保護 MOSFET 不受多種故障情況的影響，例如馬達失速、電流需求過高、熱過載及短路等。

若是相對較小的馬達 (通常需要 500 mA 至 1 A)，可以將 MOSFET 閘極驅動器 (甚至 MOSFET) 嵌入馬達控制 IC 封裝中，儘可能縮小覆蓋區。雖然這很方便且可簡化導入設計，但在許多情況下並不是個務實的做法，原因如下：

• 高效能 MOSFET 所用的半導體製程，與控制器數位邏輯所用的製程差異甚大，因此，組合後的最終設計會是一項折衷方案 (但仍可接受)。
• MOSFET 的功率耗散和熱管理主要視應用的功率需求而定。隨著電流量和功率增加，晶片上 MOSFET 的功率耗散與產生的熱量，很快就會超過封裝的上限。此時，更好的作法是將數位功能和電源功能分開，以便設計人員對 MOSFET 的佈置和熱管理進行最佳化。
• 最後，隨著馬達所需的電流量增加，在馬達電源引線中，IR 引起的壓降增加可能會造成問題。因此，建議將開關裝置放在靠近負載的位置。

基於上述原因，許多馬達和動作控制 IC 除了具備功率 MOSFET 外，更含有所有所需功能。多重 MOSFET 的拓撲通常稱為逆變器功能。透過離散式 MOSFET，設計人員就可依據負載電流、「導通」電阻、封裝類型和開關特性等因素，靈活地挑選規格組合正確的裝置。

使用精密 IC 應對馬達控制的挑戰

在過去，進階的馬達控制需要透過 IC 組合才能達成。通常，這可能涉及到使用低階處理器發出通用指令，並使用專屬數值輔助處理器執行必要的演算法，或使用高階處理器來執行這兩個動作，同時使用閘極驅動電路作為電源裝置。這不僅需要更大的 PC 電路板覆蓋區和更長的物料清單 (BOM)，而且通常會出現系統整合以及相關的偵錯問題。

然而，現今的馬達控制 IC 已經能在單一裝置中實現所有功能，如 Renesas 的 RAJ306010 所示 (圖 7)。在 RAJ306010 中，許多功能區塊都是針對馬達控制設計的獨特需求而設計。

圖 7：Renesas 的 RAJ306010 IC 能提供超進階馬達控制所需的功能 (功率 MOSFET 除外)，相較於多重 IC 解決方案，不僅佔用的空間更少，也能簡化 BOM 和設計整合作業。(圖片來源：Renesas)

這款一般用途馬達控制 IC 適用於三相無刷直流馬達應用。此裝置在一個微型的 8 × 8 mm、64 引線 QFN 封裝中緊密整合兩個不同的功能，即數位控制器功能和絕大多數的類比前置驅動器功能。能在 6 V 至 24 V 電源下操作，並以獨立式、高度自主的應用為目標，如電動工具、園藝工具、吸塵器、印表機、風扇、幫浦和機器人等。(請注意，還有一款非常相近的 RAJ306001，則以 6 V 至 30 V 電源操作，但其他規格與 RAJ306010 相同。)

RAJ306010 在數位端加入一個 16 位元的微控制器 (Renesas 的 RL78/G1F 等級)，並內建 64 KB 的快閃 ROM、4 KB 的資料快閃 ROM，以及 5.5 KB 的 RAM。還配有許多數位 I/O，如一般用途 I/O (GPIO)、SPI、I²C 和 UART。此外，還有一個 9 通道 10 位元的類比數位轉換器 (ADC)，可將類比訊號接入裝置。

若要使用 RAJ306010，系統設計人員須將所需的操作參數載入到對應的快閃記憶體暫存器，以建立所需的操作模式和條件。此 IC 在啟動後即就緒運行，無需任何額外的微控制器，如以下典型應用的高階系統方塊圖所示 (圖 8)。

圖 8：這張使用 RAJ306001 的基本應用高階系統方塊圖，顯示高度整合如何將額外離散式元件的需求降至最低。(圖片來源：Renesas)

RAJ306010 在類比端配有三個半橋閘極驅動器，閘極驅動峰值電流可調整至最多 500 mA；具有自對準失效時間產生器功能，能預防橋接器遭「穿透」和受損，還有一個電流感應放大器以及一個反電動勢放大器。具有整合式電荷幫浦，能從較低的電源電壓，將供應的閘極驅動電壓升壓到最高 13 V。

此裝置可直接支援霍爾效應感測器，也可使用類比前端 (AFE) 支援其他類型的回授感測器。如同任何妥善設計的馬達控制，此裝置也提供過溫保護、過壓／欠壓鎖定 (UVLO)、過電流偵測，以及馬達鎖定保護等功能。

圖 9 中的範例說明 RAJ306010 如何輕鬆處理基本的獨立式應用，如 24 V 無線果汁機，也可以是幾乎任何類似的小型電器。請注意，大部分電路會專門用來對八芯電池組進行充電和管理，而馬達控制則僅需要控制 IC、外部三相橋接器 (逆變器)、回授電壓感測電路 (經電流感測電阻) 和使用者的「啟動」按鈕。

圖 9：RAJ306010 的高度功能整合清楚地顯示，基本電器 (如此電池供電式果汁機) 的核心馬達控制功能，所需的額外電路和元件有多麼少。(圖片來源：Renesas)

動手實作 BLDC 馬達控制

使用整體系統的多個模型，在紙上或電腦上規劃、模擬、評估和調整馬達控制應用是一回事。但運行真正的馬達，並使用真正的元件、負載和動態元素來測試效能，同時瞭解設定初始啟動條件及變化對各種效能參數的影響，又是另一回事。

這就是 Renesas 的 RTK0EML2C0S01020BJ 馬達控制系統 (圖10) 評估套件成為設計工程師重要資產的原因。若搭配 Renesas 的 Motor Workbench 使用，除錯會更加輕鬆。此軟體工具能讓設計人員熟悉 RAJ306010 的操作、輸入和輸出模式，以及各種控制暫存器的功能。

圖 10：此電路板是 Renesas 的 RTK0EML2C0S01020BJ 馬達控制評估系統的核心，搭配 Renesas 的 Motor Workbench 軟體使用時，可在使用 RAJ306010 馬達控制 IC 的情況下加快參數的微調以及馬達效能的評估。(圖片來源：Renesas)

為了加快產品開發，此評估系統包含一個 24 V/420 mA 的 BLDC 馬達，空載時的轉速為 3900 RPM，額定扭力為 19.6 mN-m (相當於 200 gf-cm)。此外，Renesas 還針對無感測器控制和感測器式控制，提供軟體控制常式範例。

結論

隨著以小封裝提供強大功率和精度的高效能、高性價比 BLDC 問世，設計人員將 DC 馬達整合到系統時，除了傳統的有刷直流馬達外多了許多選擇。為了充分發揮這些 BLDC 馬達的潛能，智慧型控制器會將所需的演算法和使用者所需的參數整合在一起並加以實作。這些裝置還提供馬達的開關 MOSFET 和其他類比 I/O 所需的驅動器，可實現完整的馬達控制解決方案。

如上所述，Renesas 的 RAJ306010 等 IC 在開發套件和軟體的支援下，在針對電器、汽車座椅、車窗等應用以及其他多種目前常見的應用提供高效能、小尺寸和高效馬達控制方面，可大幅減輕設計難題。

參考資料

1. BLDC Motor Control Algorithms
2. RTK0EML2C0S01020BJ BLDC Motor Control Evaluation System for RAJ3060xx Motor Control ICs
3. Application Note R01AN3786EJ0102, “Sensorless Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor (Algorithm)”
4. Portable Power Tools Solution
5. 24V Cordless Blender
6. Motor Solutions: User-Friendly Motor Control Development Environment to Shorten Time to Market