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在現(xiàn)代工業(yè)與家電領(lǐng)域，電機作為電能轉(zhuǎn)換為機械能的核心裝置，幾乎無處不在。無論是家用電器中的洗衣機、冰箱，還是工業(yè)設(shè)備中的自動化機械，電機的性能直接決定了設(shè)備的效率和用戶體驗。
因此，近年來無刷直流電機（BLDC）憑借其高效率、低噪音和長壽命等優(yōu)勢，正在迅速取代傳統(tǒng)的有刷電機。根據(jù)Precedence Research的預(yù)測，2023年全球BLDC電機市場規(guī)模約為200.7億美元，預(yù)計2032年有望增長至318.7億美元。
BLDC電機調(diào)試難，為什么？
然而，BLDC電機的運行依賴于精確的磁場定位和高效的功率轉(zhuǎn)換，通常需要集成復(fù)雜的控制算法（如矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制）來實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運行，因此在項目實現(xiàn)中的難度比傳統(tǒng)有刷電機的控制更高。
具體來講包含以下三點：
- 啟動階段的復(fù)雜性
無刷電機在啟動時，轉(zhuǎn)子的初始位置是隨機的，控制系統(tǒng)需要在短時間內(nèi)確定轉(zhuǎn)子位置并施加適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%B5%81/">電流激勵，以確保電機平穩(wěn)啟動。
- 動態(tài)響應(yīng)的精確控制
電機在不同負載條件下的動態(tài)響應(yīng)需要精確調(diào)整，尤其是在家電和汽車應(yīng)用中，用戶對電機的噪音、效率和響應(yīng)速度有著極高的要求。
- 軟硬件協(xié)同調(diào)試
無刷電機的控制不僅依賴于硬件電路的設(shè)計，還需要復(fù)雜的軟件算法支持。工程師需要在硬件和軟件之間找到最佳平衡點，以實現(xiàn)電機的高效運行。
誰在給BLDC電機提供調(diào)試工具？
為了幫助工程師應(yīng)對無刷電機調(diào)試的挑戰(zhàn)，許多廠商推出了專用的調(diào)試軟件。這些軟件通常與硬件產(chǎn)品（如電機驅(qū)動芯片、逆變器等）配套使用，提供圖形化的用戶界面和實時監(jiān)控功能，以簡化調(diào)試過程。
目前，市場上針對BLDC電機控制的調(diào)試軟件提供商主要集中在主控廠商方面，比如意法半導(dǎo)體的STM32 Motor Control SDK，德州儀器的InstaSPIN-BLDC，以及英飛凌的MOTIX?電機控制解決方案等。
這些主控廠商提供的電機調(diào)試工具主要服務(wù)于三類不同的客戶群體，每類客戶的需求和使用場景各不相同：
- 第一類客戶：電機制造商，關(guān)注電機性能，自行開發(fā)控制軟件，需要主控廠商提供電機參數(shù)和調(diào)試工具。
- 第二類客戶：系統(tǒng)集成商，需要主控廠商提供調(diào)試工具和軟件支持，以快速完成系統(tǒng)集成和調(diào)試。
- 第三類客戶：終端設(shè)備制造商，購買集成方案但可能有定制化需求，需要主控廠商提供高級調(diào)試工具和技術(shù)支持。
值得一提的是，這些軟件大多只針對自家硬件產(chǎn)品，缺乏通用性和靈活性。對于使用不同廠商硬件的工程師來說，調(diào)試過程仍然復(fù)雜且耗時。
PI推出MotorXpert? v3.0，工程師多了一項選擇
站在產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，電機控制離不開驅(qū)動器， Power Integrations（以下簡稱“PI”）作為電機驅(qū)動器的頭部供應(yīng)商，為了更好的簡化系統(tǒng)工程師在單相和三相無感電機驅(qū)動設(shè)計和調(diào)試方面的難度，在2021年推出了專門用于對采用該公司BridgeSwitch?電機驅(qū)動器IC的無刷直流逆變器進行配置、控制和檢測的軟件包——MotorXpert? v1.0版本。
2022年，PI又更新了一版，推出了MotorXpert? v2.0，促使工程師在搭配BridgeSwitch集成半橋電機驅(qū)動器使用時，效率可達到98.2%，同時電路板空間減少70%以上。
就在近期，PI再次更新版本，推出了MotorXpert? v3.0，降低了使用者的技術(shù)和經(jīng)驗門檻。
圖 | MotorXpert? v3.0擁有直觀的界面，來源：Power Integrations
對此，PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan表示：“與上一版本相比，MotorXpert? v3.0增加了兩相調(diào)制的控制方式，非常適合于高溫環(huán)境下的工作應(yīng)用，比如熱水循環(huán)泵。新的調(diào)制方式可將逆變器開關(guān)損耗降低33%。”
“此外，MotorXpert? v3.0還對波形可視化工具進行了五倍的改進，并增強了縮放功能，為開發(fā)人員提供了更多信息，便于電機精調(diào)和調(diào)試?！?Jason Yan補充道。
MotorXpert? v3.0可與任何MCU搭配使用？
前面提到，主控廠商的電機調(diào)試軟件大都圍繞自己的生態(tài)來提供，所以針對不同的電機主控，工程師們有時候需要幾套軟件工具組合使用。
對于使用PI提供的電機驅(qū)動IC的工程師們，有另一種選擇，那就是使用MotorXpert 3.0。Jason Yan透露：“MotorXpert軟件包可與任何MCU搭配使用，同時提供完善的軟件代碼移植指南，以簡化對各種MCU的支持。它是按照MISRA標準以通用的C語言工具來實現(xiàn)的?！?/p>
那么，MotorXpert 3.0可以幫助工程師做哪些事情呢？根據(jù)PI提供的信息，MotorXpert 3.0包括三個主要部分：
- 內(nèi)嵌于本地MCU或DSP上的復(fù)雜數(shù)學(xué)算法可以利用BridgeSwitch IC的信息構(gòu)建生成精確的反饋信號，進而實現(xiàn)對開關(guān)模式的實時控制。
- 主機端應(yīng)用程序可對逆變器的操作進行編譯，并以明確的格式顯示關(guān)鍵數(shù)據(jù)，供工程分析使用。
- 簡單易用的控制界面允許開發(fā)工程師進行各種試驗，以快速完成最終產(chǎn)品定型。
圖 | MotorXpert v3.0可協(xié)助工程師完成每個工作階段的調(diào)試，來源：Power Integrations
據(jù)悉，Motor Expert 3.0全面支持PI的IHB逆變器用IC產(chǎn)品，包括BridgeSwitch和BridgeSwitch-2。同時，它還支持BridgeSwitch-2的電流監(jiān)測功能，能夠?qū)崟r檢測電機繞組中的電流大小和方向。這一功能對于實現(xiàn)精確的電機控制至關(guān)重要，尤其是在需要高動態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用場景中。此外，軟件還支持無感相電流檢測，通過內(nèi)部算法實時估算電機繞組的電流狀態(tài)，無需外部傳感器，從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。
在故障報告方面，Motor Expert 3.0提供了兩種故障報告方式：EF引腳硬件關(guān)斷和FAULT引腳軟件關(guān)斷。EF引腳硬件關(guān)斷方式通過硬件直接關(guān)斷逆變器，減輕了MCU的負擔(dān)；而FAULT方式則通過MCU實現(xiàn)更精確的系統(tǒng)保護。這兩種方式可以根據(jù)具體應(yīng)用需求靈活選擇，確保系統(tǒng)在故障情況下的安全性和可靠性。
在節(jié)能方面，Motor Expert 3.0引入了睡眠模式，能夠?qū)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1540287.html">三相電機的待機功耗降至10mW以下，這一特性對于滿足歐盟ErP指令對家電待機功耗的要求至關(guān)重要。
圖 | MotorXpert 3.0 支持BridgeSwitch-2的所有新特性，提供一站式的逆變器解決方案，來源：Power Integrations
對此，Jason Yan結(jié)合自家驅(qū)動IC產(chǎn)品指出，傳統(tǒng)的IPM模塊由于內(nèi)部集成了六個開關(guān)及驅(qū)動電路，其驅(qū)動電路始終會消耗功率，難以滿足整機待機功耗小于300mW的要求。而BridgeSwitch-2的睡眠模式則有效解決了這一問題，使得系統(tǒng)在待機狀態(tài)下的功耗大幅降低，為其他功耗設(shè)計留出了更多空間。
在電流檢測方面，Motor Expert 3.0采用了IPH增益調(diào)整的電流反饋方式，通過電阻上產(chǎn)生的壓降檢測相電流。與傳統(tǒng)的外部電流檢測電阻方案相比，IPH方式不僅簡化了電路設(shè)計，還提高了檢測信號的抗干擾能力。傳統(tǒng)方案需要額外的放大和濾波電路，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，而IPH方式則通過內(nèi)部檢測實現(xiàn)了更高的效率和更低的成本。
此外，Motor Expert 3.0能夠根據(jù)不同型號的產(chǎn)品自動選擇相應(yīng)的器件，簡化了工程師的調(diào)試過程。軟件還提供了靈活的配置選項，支持多種控制算法和參數(shù)調(diào)整，滿足不同應(yīng)用場景的需求。無論是初學(xué)者還是經(jīng)驗豐富的工程師，都可以通過Motor Expert 3.0快速實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)的調(diào)試和優(yōu)化。
供貨及相關(guān)資源
MotorXpert v3.0可以通過最終用戶許可協(xié)議免費使用。該套軟件包括快速入門指南、軟件手冊、MCU軟件代碼移植指南、單相和三相軟件庫以及視頻教程。
如需更多信息，大家可聯(lián)系Power Integrations銷售代表或公司授權(quán)的全球分銷商——DigiKey、Newark、Mouser和RS Components，或訪問power.com。
