使用低端微控制器实现高性能无刷DC电机控制

产品信息

无刷DC电机(BLDC电机)在家居设备和工厂自动化(FA)机械等领域应用广泛。如今,开发RL78/G1F微控制器(MCU)可拓宽这些电机的潜在应用领域。

这款低端MCU配备高速可编程增益放大器(PGA)和比较器,能够执行初始转子位置检测和矢量控制。

BLDCモータ

产品设计人员一直希望有一款经济实惠的MCU,能够更轻松更精确地执行无刷DC电机设计。

作为低功耗MCU RL78系列的最新成员,新产品RL78/G1F的开发正好满足这一市场需求。

无刷DC电机(BLDC电机)的应用范围不断扩大,从冰箱、空调和洗衣机等主要家居设备到电动工具、机器人、运输设备、风扇和泵等工业设备,可为一切应用提供服务。

MCU扩大BLDC电机的潜能

无刷DC电机的应用范围扩大,不仅在于其效率和耐用性比有刷型DC电机更高,还得益于MCU的出现使无刷电机能够以更低的成本更轻松地实现越来越精细的控制。RL78/G14就是这样一款扩大BLDC潜能的MCU。

RL78/G14产品包含瑞萨电子人气入门级MCU系列RL78系列内的一组产品。除具备RL78系列的低功耗和多样化功能特征外,这些紧凑型MCU还能实现低功率BLDC电机控制,是许多用户在各种应用中的理想之选。

不过,如今我们发现有关进一步降低成本及提升性能的需求,以及提高控制精确度和简化电路设计的特定需求越来越高。

轻松实现入门级MCU所需的更高性能

RL78/G1F基于n MCU的概念开发而成,该MCU可进一步简化BLDC电机控制,同时扩大潜在的应用范围。最终获得一组MCU产品,它们可提供有效的功能来增强BLDC电机控制。

RL78/G1F增强了三项BLDC电机控制功能。首先,增强了过流检测/输出强制截止功能,从而提高了系统级安全性。其次,通过单分流检测支持无感矢量控制,有助于降低电机驱动成本并提高效率。再次,扩展了无感转子位置检测功能,使RL78/G1F能够提供低成本、高性能的无感控制。凭借这些增强功能,预计RL78/G1F可扩展BLDC电机的应用范围。下面详细介绍了RL78/G1F增强的三项BLDC电机控制功能。

RL78/G1F 概念

RL78/G1F 概念

内置高速过流检测功能

过流会导致电机烧损和崩溃,电机超负荷运行有时会发生过流,通过过流检测功能可发现这一问题。RL78/G1F不仅提供高速过流检测功能,还具备不经CPU处理而强制关闭电机控制输出信号(PWM输出)的功能。

传统RL78/G14没有过流检测功能,需要引入外部过流检测电路来输入相应的信号。另一方面,RL78/G1F包含的内置硬件可实现高速过流检测。特别是,它采用了高转换率可编程增益放大器(下称PGA)和响应迅速的比较器。此外,RL78/G1F还配备PWM可选单元(称为“PWMOPA”),该单元可强制截止作为控制信号从I/O端口提供到逆变器的PWM信号输出。PWMOPA支持立刻强制截止以响应来自内置比较器的过流检测输出信号,并且支持各种释放方法。

PGA可将电流检测分流电阻器中的微小压变放大4倍、8倍、16倍和32倍。转换率快达3.5 V/μs或更高(VDD≧4V时,32倍放大系数的转换率为3.0V/μs或更高),并且专用的接地输入(PGAGND端口)使放大不受内部MCU操作的噪音影响。

比较器可比较放大的电压信号与参考电压并确定过流状态,其响应时间为0.07μs,比RL78/G14内置比较器快8倍。除外部输入和内部参考电压(1.45 V)外,用于生成比较参考电压的专用D/A转换器输出还可用于比较器的参考输入。

RL78/G1F电机控制功能特性

RL78/G1F电机控制功能特性

实现单分流矢量控制

矢量控制也称为磁场定向控制(FOC),是通过持续了解转子位置来实现优质控制的电机控制方法,并且可提高BLDC电机效率,降低噪音级别。不过,这种方法(特别是无感矢量控制)同时需要进行多项计算及电流检测定时,受此限制,难以在入门级MCU中应用。

另一方面,由于RL78/G1F具有同入门级设备一样的高吞吐量,并且采用的也是高速PGA,所以借助单个分流电阻器,MCU可轻松“通过单分流检测执行无感矢量控制”。通过几个外部器件实现矢量控制及降低成本,可扩大BLDC电机的潜在应用范围。

使用RL78/G1F的无感单分流矢量控制

使用RL78/G1F的无感单分流矢量控制

无感转子检测扩展功能

相对简单的120度传导控制(矩形波控制)已被广泛用作BLDC电机控制方法。无感120度传导控制不必使用检测转子位置的霍尔元件等传感器或编码器,而是通过电机的逆电动势估测转子位置,由此可降低组件成本。

在RL78/G14等传统低端电机控制MCU中,通过内部A/D转换器来测量BLDC电机的三相电压。通过软件处理来比较计算得出的3个电压的平均值(中点值)和没有外加电压的一相的逆电动势电压值,从而实现转子位置(零交叉点)无感检测。

另一方面,RL78/G1F具有内置高速比较器,可进行转子位置检测,其性能可与高速过流检测的性能媲美。此比较器可高速比较用来对比参考的三相中点电压和每一相的电压,并且可通过硬件快速实现零交叉点检测,而无需三个外部比较器。同G14一样,RL78/G1F也具有可用于转子位置检测的内置AD转换器,但由于使用比较器的基于硬件的零交叉检测会最大限度地减少CPU处理,所以可降低软件负载。而且,由于无需考虑A/D转换时间,所以RL78/G1F可为高速电机提供出色的支持。

转子位置(零交叉)检测图像。RL78/G1F支持有比较器和无比较器方法。

转子位置(零交叉)检测图像。RL78/G1F支持有比较器和无比较器方法。

还支持初始转子位置检测功能

此外,内置高速比较器还有助于RL78/G1F在很短时间内检测初始转子位置,且功耗非常低。

BLDC电机的无感控制通过逆电动势确定转子位置,所以当电机停止而不会生成逆电动势时,则无法检测初始转子位置。如果未确认转子位置而强制启动电机,既无法顺畅启动,也无法以强扭矩启动,会导致电流浪费等问题。如果可以确定初始位置且启动控制会反映该信息,则可解决这些问题。

RL78/G1F初始转子位置检测引入了两种处理类型,以提供出色的效率。


有关初始转子位置检测的更多信息,请参考以下材料。

[白皮书]通过无感控制是否可以顺畅地实现高速启动?

应用笔记支持新功能

此应用笔记介绍MCU的初始转子位置检测功能,这是无感无刷DC电机控制的关键功能。

这种方法可解决使用无感控制方式启动电机所特有的问题。

此应用展示了顺畅的高扭矩快速启动,从而实现高效系统。

RL78 MCU的无感BLDC电机的白皮书

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