PI推出MotorXpert? v3.0，進(jìn)一步降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和調(diào)試門檻

在現(xiàn)代工業(yè)與家電領(lǐng)域，電機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的核心裝置，幾乎無(wú)處不在。無(wú)論是家用電器中的洗衣機(jī)、冰箱，還是工業(yè)設(shè)備中的自動(dòng)化機(jī)械，電機(jī)的性能直接決定了設(shè)備的效率和用戶體驗(yàn)。

因此，近年來(lái)無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）憑借其高效率、低噪音和長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，正在迅速取代傳統(tǒng)的有刷電機(jī)。根據(jù)Precedence Research的預(yù)測(cè)，2023年全球BLDC電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約為200.7億美元，預(yù)計(jì)2032年有望增長(zhǎng)至318.7億美元。

BLDC電機(jī)調(diào)試難，為什么？

然而，BLDC電機(jī)的運(yùn)行依賴于精確的磁場(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，因此在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)中的難度比傳統(tǒng)有刷電機(jī)的控制更高。

具體來(lái)講包含以下三點(diǎn)：

• 啟動(dòng)階段的復(fù)雜性

無(wú)刷電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子的初始位置是隨機(jī)的，控制系統(tǒng)需要在短時(shí)間內(nèi)確定轉(zhuǎn)子位置并施加適當(dāng)?shù)碾娏骷?lì)，以確保電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。

• 動(dòng)態(tài)響應(yīng)的精確控制

電機(jī)在不同負(fù)載條件下的動(dòng)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(duì)電機(jī)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(wú)刷電機(jī)的控制不僅依賴于硬件電路的設(shè)計(jì)，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(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)行。

誰(shuí)在給BLDC電機(jī)提供調(diào)試工具？

為了幫助工程師應(yīng)對(duì)無(wú)刷電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、逆變器等）配套使用，提供圖形化的用戶界面和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，以簡(jiǎn)化調(diào)試過(guò)程。

目前，市場(chǎng)上針對(duì)BLDC電機(jī)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(jī)控制解決方案等。

這些主控廠商提供的電機(jī)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(chǎng)景各不相同：

• 第一類客戶：電機(jī)制造商，關(guān)注電機(jī)性能，自行開發(fā)控制軟件，需要主控廠商提供電機(jī)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(gòu)買集成方案但可能有定制化需求，需要主控廠商提供高級(jí)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(duì)自家硬件產(chǎn)品，缺乏通用性和靈活性。對(duì)于使用不同廠商硬件的工程師來(lái)說(shuō)，調(diào)試過(guò)程仍然復(fù)雜且耗時(shí)。

PI推出MotorXpert™ v3.0，工程師多了一項(xiàng)選擇

站在產(chǎn)業(yè)鏈的角度來(lái)看，電機(jī)控制離不開驅(qū)動(dòng)器， Power Integrations（以下簡(jiǎn)稱“PI”）作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的頭部供應(yīng)商，為了更好的簡(jiǎn)化系統(tǒng)工程師在單相和三相無(wú)感電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和調(diào)試方面的難度，在2021年推出了專門用于對(duì)采用該公司BridgeSwitch™電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的無(wú)刷直流逆變器進(jìn)行配置、控制和檢測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)器使用時(shí)，效率可達(dá)到98.2%，同時(shí)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(yàn)門檻。

圖 | MotorXpert™ v3.0擁有直觀的界面，來(lái)源：Power Integrations

對(duì)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(duì)波形可視化工具進(jìn)行了五倍的改進(jìn)，并增強(qiáng)了縮放功能，為開發(fā)人員提供了更多信息，便于電機(jī)精調(diào)和調(diào)試。” Jason Yan補(bǔ)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(jī)調(diào)試軟件大都圍繞自己的生態(tài)來(lái)提供，所以針對(duì)不同的電機(jī)主控，工程師們有時(shí)候需要幾套軟件工具組合使用。

對(duì)于使用PI提供的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)提供完善的軟件代碼移植指南，以簡(jiǎn)化對(duì)各種MCU的支持。它是按照MISRA標(biāo)準(zhǔn)以通用的C語(yǔ)言工具來(lái)實(shí)現(xiàn)的。”

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(gè)主要部分：

1. 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(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)模式的實(shí)時(shí)控制。
2. 主機(jī)端應(yīng)用程序可對(duì)逆變器的操作進(jìn)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。
3. 簡(jiǎn)單易用的控制界面允許開發(fā)工程師進(jìn)行各種試驗(yàn)，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(gè)工作階段的調(diào)試，來(lái)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(shí)，它還支持BridgeSwitch-2的電流監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電機(jī)繞組中的電流大小和方向。這一功能對(duì)于實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)控制至關(guān)重要，尤其是在需要高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景中。此外，軟件還支持無(wú)感相電流檢測(cè)，通過(guò)內(nèi)部算法實(shí)時(shí)估算電機(jī)繞組的電流狀態(tài)，無(wú)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(bào)告方面，Motor Expert 3.0提供了兩種故障報(bào)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(guò)硬件直接關(guān)斷逆變器，減輕了MCU的負(fù)擔(dān)；而FAULT方式則通過(guò)MCU實(shí)現(xiàn)更精確的系統(tǒng)保護(hù)。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)⑷嚯姍C(jī)的待機(jī)功耗降至10mW以下，這一特性對(duì)于滿足歐盟ErP指令對(duì)家電待機(jī)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(lái)源：Power Integrations

對(duì)此，Jason Yan結(jié)合自家驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品指出，傳統(tǒng)的IPM模塊由于內(nèi)部集成了六個(gè)開關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路，其驅(qū)動(dòng)電路始終會(huì)消耗功率，難以滿足整機(jī)待機(jī)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(wèn)題，使得系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下的功耗大幅降低，為其他功耗設(shè)計(jì)留出了更多空間。

在電流檢測(cè)方面，Motor Expert 3.0采用了IPH增益調(diào)整的電流反饋方式，通過(guò)電阻上產(chǎn)生的壓降檢測(cè)相電流。與傳統(tǒng)的外部電流檢測(cè)電阻方案相比，IPH方式不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，還提高了檢測(cè)信號(hào)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(guò)內(nèi)部檢測(cè)實(shí)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(hào)的產(chǎn)品自動(dòng)選擇相應(yīng)的器件，簡(jiǎn)化了工程師的調(diào)試過(guò)程。軟件還提供了靈活的配置選項(xiàng)，支持多種控制算法和參數(shù)調(diào)整，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。無(wú)論是初學(xué)者還是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，都可以通過(guò)Motor Expert 3.0快速實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試和優(yōu)化。