Strategie zur Vereinfachung der dreiphasigen BLDC-Motorsteuerungs- und Antriebssysteme
Hochintegrierte Halbleiterprodukte liegen nicht nur im Trend der Verbraucherprodukte, sondern dringen auch allmählich in Anwendungen der Motorsteuerung vor. Gleichzeitig zeigen bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) in vielen Märkten, beispielsweise in der Automobil- und Medizintechnik, die gleiche Dynamik, und ihr Marktanteil übertrifft nach und nach den von anderen Motortypen. Mit der wachsenden Nachfrage nach BLDC-Motoren und der Reife verwandter Motortechnologien hat sich die Entwicklungsstrategie für BLDC-Motorsteuersysteme von diskreten Schaltungen zu drei verschiedenen Kategorien entwickelt. Diese drei Haupttypen von Lösungen sind in System-on-a-Chip (SoC), anwendungsspezifische Standardprodukte (ASSP) und Zwei-Chip-Lösungen unterteilt.
Diese drei Hauptlösungen werden von Konstrukteuren von Motorsystemen zunehmend favorisiert, da sie die Anzahl der für die Anwendung erforderlichen Komponenten und die Komplexität der Konstruktion reduzieren. Jede Strategie hat jedoch ihre eigenen Stärken und Schwächen. In diesem Artikel werden diese drei Optionen erörtert und wie sie zwischen Designintegration und Flexibilität ausgetauscht werden können.
Das grundlegende Motorsystem besteht aus drei Hauptmodulen: der Stromversorgung, dem Motorantrieb und der Steuereinheit. Abbildung 1 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen diskreten Motorsystems. Motorsysteme umfassen typischerweise einen einfachen RISC-Prozessor mit integriertem Flash, der den externen MOSFET durch Steuern des Gate-Treibers ansteuert. Der Prozessor kann den Motor auch direkt über einen integrierten MOSFET und einen Spannungsregler antreiben, der den Prozessor und den Treiber antreibt.
Der SoC-Motorantrieb integriert alle oben genannten Module und ist für eine Vielzahl von Anwendungen programmierbar. Darüber hinaus ist es ideal für Anwendungen, bei denen aufgrund von Platzbeschränkungen Platzoptimierung erforderlich ist. Seine geringe Verarbeitungsleistung und der begrenzte interne Speicherplatz können jedoch nicht auf Motorsysteme angewendet werden, die eine erweiterte Steuerung erfordern. Ein weiterer Nachteil von SoC-Motortreiber-ICs sind die eingeschränkten Entwicklungstools, beispielsweise das Fehlen einer Firmware-Entwicklungsumgebung. Dies steht im krassen Gegensatz zu der Tatsache, dass die meisten der führenden Mikrocontroller-Anbieter der Branche eine breite Palette einfach zu verwendender Werkzeuge anbieten.
ASSP-Motorantriebe sind für einen bestimmten Bereich ausgelegt und alles ist für eine enge Anwendung optimiert. Es nimmt sehr wenig Platz in Anspruch und erfordert keine Softwareeinstellungen. Darüber hinaus ist es ideal für Anwendungen mit wenig Platz. Abbildung 2 zeigt ein Blockdiagramm eines 10-poligen DFN-Lüftermotortreibers. Da ASSP-Motorantriebe häufig auf Großserienanwendungen ausgerichtet sind, weisen sie oft ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis auf. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Motoren, die auf ASSP-Antrieben laufen, Leistungseinbußen hinnehmen müssen. Beispielsweise können die meisten modernen ASSP-Motorantriebe BLDC-Motoren mit sensorlosen und sinusförmigen Algorithmen ansteuern, für die früher leistungsstarke Mikrocontroller erforderlich waren. ASSP-Produkte sind jedoch nicht programmierbar und passen die Antriebsstärke nicht an, wodurch ihre Anpassungsfähigkeit an die sich ändernden Marktanforderungen eingeschränkt wird.
Obwohl hohe Integration ein wichtiger Trend in der heutigen Elektronik ist, besteht nach wie vor eine wachsende Nachfrage nach Dual-Chip-Lösungen mit umfangreichen analogen Treibern und intelligenten analogen Mikrocontrollern. Dank der Zwei-Chip-Strategie können Entwickler aus einer Vielzahl von Mikrocontrollern auswählen, um sensorische oder sensorlose Kommutierung mit Trapez- oder Sinus-Antriebstechnologie zu unterstützen. Bei dieser Lösung ist die Wahl des unterstützenden Treiberchips von entscheidender Bedeutung. Der ideale Companion-Chip sollte mindestens die folgenden Funktionen enthalten:
Leistungsfähiger, einstellbarer Regler zur Reduzierung des Stromverbrauchs und zur Stromversorgung aller Arten von Mikrocontrollern
Überwachungs- und Hintergrundverarbeitungsmodule sorgen für einen sicheren Motorbetrieb und ermöglichen die bidirektionale Kommunikation zwischen dem Host und dem Laufwerk
Optionale Parameter zur Optimierung der Leistung ohne zusätzlichen Programmieraufwand
Nennleistungstreiber für MOSFET- oder BLDC-Motoren
Bei SoC- und ASSP-Motorantrieben verwenden die Konstrukteure von Motorsystemen im Allgemeinen nicht nur die wenigsten Komponenten, sondern weisen auch eine moderate Flexibilität auf. Solche hochintegrierten Lösungen weisen jedoch jeweils unterschiedliche Einschränkungen auf, z. B. feste Funktionalität, begrenzte Speicherkapazität und Verarbeitungsleistung. Tabelle 1 vergleicht die drei oben beschriebenen Hauptsteuerstrategien des BLDC-Motors.
Im Vergleich zu diskreten Konstruktionen reduzieren moderne Motorsteuerungs- und Antriebslösungen nicht nur die Stückliste, sondern reduzieren auch die Entwicklungszeit des Systems, ohne die für ausgewählte BLDC-Motoren optimierten Gebäudesysteme zu beeinträchtigen. Hardware- und Firmware-Referenzdesigns und -bibliotheken von Halbleiterherstellern können die Entwicklungszeit erheblich verkürzen und die Markteinführungszeit für fortschrittliche Motorsteuerungs- und Antriebskonzepte beschleunigen.
