使用低成本微控制器的高性能直流無刷馬達

產品資訊

直流無刷馬達(BLDC馬達)廣泛用於家電及工廠自動化(FA)機具內。RL78/G1F微控制器(MCU)的開發更擴大了這些馬達的潛在應用範圍。

此低成本的MCU搭載高速可程式化增益放大器(PGA)及比較器,實現馬達轉子初始位置偵測及向量控制。

BLDCモータ

產品設計師在設計直流無刷馬達時,不斷表現出對能輕鬆實現更高精度且價格合理的MCU之渴望。

全新的RL78/G1F就是為了滿足此市場需求而開發,是低功耗MCU RL78系列的最新產品。

從冰箱、冷氣及洗衣機等主要家用電器到電動工具、機器人、輸送設備、風扇及幫浦等工業設備,直流無刷馬達(BLDC馬達)的應用範圍越來越廣泛。

MCU擴大BLDC馬達的潛力

直流無刷馬達的擴大應用,不僅能提供比直流有刷馬達更好的效率及耐用性,MCU的出現更使無刷馬達能以更輕鬆且低成本的方式實現日益複雜的控制。 RL78/G14就是此等能擴大BLDC潛力的MCU。

RL78/G14產品屬於瑞薩暢銷的入門級MCU系列RL78的一部分。除了RL78系列低功耗及多樣化功能的特性外,這些精巧的MCU亦實現了低功率BLDC馬達控制,且有許多使用者已將其用於各種應用中。

隨著對進一步降低成本並提高性能的需求與日俱增,以及對更精準控制且能輕鬆完成電路設計的具體要求逐漸提高。如何選擇合適的MCU也成為研發時最重要的課題之一。

入門級MCU也能輕鬆實現更高性能

RL78/G1F的開發概念以進一步簡化BLDC馬達控制同時又能擴大潛在應用範圍為基礎,成果就是一組能提供有效功能以強化BLDC馬達控制的MCU產品。

RL78/G1F強化了三種BLDC馬達控制功能。首先為加強過電流偵測/輸出強制切斷,提升系統層級的安全。其次藉由單一分路(single shunt)電流偵測,支援無感測器向量控制,實現低成本且高效率的馬達驅動。最後則為擴充無感測器轉子位置偵測功能,使RL78/G1F能提供不需感測器、低成本且高性能的控制。基於這些強化功能,預期RL78/G1F可擴大BLDC馬達的用途,以下為RL78/G1F強化之三種BLDC馬達控制功能的詳細說明。

RL78/G1F Concept

RL78/G1F 概念

內建高速過電流偵測功能

有時當馬達操作過載時,會產生導致馬達燒毁及故障的過電流,過電流偵測功能可發現此情況。RL78/G1F不僅提供高速過電流偵測,另亦配備不需經過CPU處理即可強制關閉馬達控制輸出訊號(PWM輸出)的功能。

傳統的RL78/G14不具有過電流偵測能力,故必須採用外部過電流偵測電路以輸入相應訊號。而RL78/G1F內建的硬體可實現高速過電流偵測。具體而言,其使用高轉換率(slew rate)可程式化增益放大器(以下稱為PGA)及快速反應的比較器。RL78/G1F亦搭載PWM選配單元,稱為「PWMOPA」, 可強制切斷從I/O連接埠輸出至逆變器作為控制訊號的PWM訊號輸出。PWMOPA支援在收到內建比較器的過電流偵測輸出訊號時立即強制切斷以及多種釋放方法。

PGA可藉由以4、8、16及32的放大係數,放大電流偵測分路電阻器中的微小電壓變化。3.5 V/μs或以上(若VDD≧4V,32x放大係數時為3.0V/μs或更大)的快速轉換率以及專門的接地輸入(PGAGND連接埠),實現放大卻不會有因內部MCU操作而產生的雜訊干擾。

比較放大後電壓訊號與基準電壓並判定過電流狀態的比較器,反應時間為0.07μs,比RL78/G14內建比較器快8倍。除外部輸入及內部基準電壓 (1.45 V)外,可將專門用以產生比較基準電壓的D/A轉換器之輸出,作為比較器的基準輸入。

RL78/G1F Motor Control Function Features

RL78/G1F馬達控制功能特性

實現單分路(single-shunt)向量控制

向量控制(亦稱為磁場導向控制 FOC, field-oriented control)是一種馬達控制方法,藉由持續感知馬達轉子位置達到最佳控制,並實現更高的BLDC馬達效率及較低的噪音等級。但此方法,特別是無感測器向量控制,因為需要多重計算以及電流偵測時機帶來的限制,而難以用於入門級MCU。

另一方面,作為入門級裝置,由於RL78/G1F具有高處理量以及高速PGA,MCU能利用一個分路電阻器,故可輕鬆實現「無感測器向量控制及單分路(single shunt)電流偵測」。 利用少量的外部零件及較低的成本即可實現向量控制,擴大了BLDC馬達的潛在應用範圍。

Sensorless single-shunt vector control using RL78/G1F

利用RL78/G1F進行無感測器單分路(single-shunt)向量控制

擴大無感測器轉子偵測功能

已廣泛採用相對簡單的120度導通控制(方波控制)作為BLDC馬達控制的方法。無感測器120度導通控制避免使用轉子位置偵測Hall元件之類的感測器或編碼器,而是透過馬達的反電動勢預測轉子位置,故可降低元件成本。

在傳統的低成本馬達控制MCU如RL78/G14中,利用內部A/D轉換器量測三相BLDC馬達的電壓。透過軟體處理,比較計算出的3個電壓的平均值(中點值)與未施加電壓時的單相強制反電動勢電壓值,實現無感測器偵測轉子位置(zero-cross point)。

另一方面,RL78/G1F內建高速比較器,可執行轉子位置偵測,具有與高速過電流偵測相同的性能。此比較器能高速比對作為比較基準的三相中點電壓與每一相的電壓,並利用硬體快速偵測零點跨越((zero-cross point),而不需要三個外部比較器。如同G14,RL78/G1F內建AD轉換器,可用以偵測馬達位置,但因為有比較器以硬體為主的零點跨越偵測,可將CPU處理降至最低,因而降低軟體負荷。此外,由於不需考慮A/D轉換時間,RL78/G1F為高速馬達提供絕佳的支援。

Image of rotor position (zero-cross) detection. RL78/G1F supports both comparator and comparator-less methods.

轉子位置(zero-cross)偵測影像。RL78/G1F支援使用比較器與無比較器兩種方法。

亦支援轉子初始位置偵測功能

內建的高速比較器亦使RL78/G1F能以低功耗的方式,在極短時間內完成轉子初始位置偵測。

BLDC馬達的無感測器控制,利用反電動勢判定轉子位置,無法在馬達停止且未產生反電動勢時偵測轉子初始位置。若未確認轉子位置而強行啟動馬達,即無法以平順或高扭力的方式啟動,產生諸如因廢電流而導致之干擾等問題。若可判定初始位置並利用啟動控制反映該資訊,即能排除這些問題。

RL78/G1F馬達初始位置偵測結合兩種處理方式,以優化效率。


想更進一步了解馬達初始位置偵測,可參考下方資料。

[白皮書] 無感測器控制是否能讓馬達以平順且高扭力的方式啟動?

應用說明 (application note) 與相關功能

本應用說明(application note)描述了MCU的初始轉子位置檢測功能,這是無感測器直流無刷馬達控制的關鍵特性。此方法使用無感測器控制解決了馬達啟動時所特有的問題。

此應用展示了平穩高速的高扭力啟動,實現了高效的系統。

Achieving smooth and fast startup of a sensorless BLDC motor
using a microcontroller for sensorless initial position detection

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