Allegro A89301：超靜、無編碼、FOC 無傳感器 BLDC 電機控制器

作者：時間：2025-09-12 來源：EEPW

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一、簡介

A89301 是一款三相無傳感器無刷直流（BLDC）電機驅(qū)動器（柵極驅(qū)動器），工作電壓范圍 5.5 - 50V，是Allegro 首批 QuietMotion 解決方案之一。A89301 是吊扇、底座風(fēng)扇、浴室排氣扇和高級家用電器風(fēng)扇和泵的理想選擇。

完全集成定向磁場控制 (FOC) 的算法可以實現(xiàn)最佳效率和噪聲性能。該器件可在靜止狀態(tài)、風(fēng)車狀況甚至反向風(fēng)車狀態(tài)下優(yōu)化電機啟動性能。

電機速度通過模擬、PWM 或 CLOCK 輸入控制。可選閉環(huán)速度控制，可對 RPM 到時鐘頻率比進行編程設(shè)置。

提供簡單的 I2C 接口，用于設(shè)置電機額定電壓、額定電流、額定速度、電阻和啟動曲線。I2C 接口還用于開/關(guān)控制、速度控制和速度回讀。

A89301 采用 24 觸點 4 mm×4 mm QFN 封裝，帶外露散熱焊盤（后綴 ES）。該封裝為無鉛封裝，采用 100% 霧錫電鍍引腳框。

二、技術(shù)文章

在現(xiàn)代風(fēng)扇或泵中，成本節(jié)約和節(jié)能激勵正推動電機設(shè)計向無傳感器電機驅(qū)動器發(fā)展。傳統(tǒng)的電機驅(qū)動器使用梯形電機控制，配備三個霍爾傳感器：霍爾傳感器提供轉(zhuǎn)子位置，電機從零啟動速度開始產(chǎn)生強大的扭矩且無反轉(zhuǎn)。然而，傳統(tǒng)的無傳感器啟動需要轉(zhuǎn)子對齊，因此這種方法可能與反轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)，并且直到對齊完成之前都無法產(chǎn)生扭矩。本文描述了初始轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)如何克服這一挑戰(zhàn)，以提供防反轉(zhuǎn)、快速、無傳感器的啟動。

高功率密度電機市場趨勢

如今，市場趨勢是使用無刷直流（BLDC）電機進行高功率密度電機設(shè)計。為了正確驅(qū)動 BLDC 電機，必須知道被感應(yīng)的磁鐵的精確位置。這通常需要角度傳感器，例如磁性霍爾傳感器或編碼器。與直流電機相比，BLDC 解決方案增加了控制器設(shè)計的成本和復(fù)雜性。為了成本優(yōu)化，一些 BLDC 應(yīng)用可能能夠使用沒有電機角度傳感器的控制器。本文描述了多種先進的無傳感器啟動技術(shù)，以克服確定磁鐵位置所需的挑戰(zhàn)，這對于正確的 BLDC 電機啟動是必要的。

傳統(tǒng)無傳感器啟動方法

傳統(tǒng)無傳感器驅(qū)動器使用“直流對準啟動”方法，控制器在三相繞組中強制直流電流，使轉(zhuǎn)子磁鐵移向已知位置。這種解決方案強制電流對準，使轉(zhuǎn)子與磁鐵正確對齊。該方法如圖 1 所示，對準 U 相。轉(zhuǎn)子對準完成后，電機可以從該位置開始旋轉(zhuǎn)。

直流對準方法簡單、易用，可應(yīng)用于多種類型的無刷直流電機（BLDC 電機）。然而，當(dāng)電機或連接的負載具有高慣性時，達到對準位置所需的時間會增加。因此，與有傳感器 BLDC 驅(qū)動器相比，整體啟動時間往往會更長。此外，根據(jù)轉(zhuǎn)子的停泊位置，轉(zhuǎn)子可能會向后移動以與定子對齊。這種輕微的后退旋轉(zhuǎn)對某些應(yīng)用（如泵）會產(chǎn)生不利影響。

使用這種傳統(tǒng)的直流對準方法，電機啟動——從零速到穩(wěn)定、一致的高慣性旋轉(zhuǎn)——可能需要超過五秒鐘。

傳統(tǒng) IPD 啟動方法：電感飽和

初始位置檢測（IPD）方法可用于利用電感飽和實現(xiàn)無傳感器的初始轉(zhuǎn)子位置檢測，而無需移動軸。電感飽和技術(shù)利用定子繞組中的電感狀態(tài)。當(dāng)繞組產(chǎn)生的總磁通量超過某個點時，電感將飽和。定子接收繞組產(chǎn)生的總磁通量和磁通量。磁通量分量取決于轉(zhuǎn)子的位置，因此電感飽和電流隨磁通量變化：

l 當(dāng)磁鐵的位置與定子對齊時，電感很容易飽和。

l 當(dāng)磁鐵相對于定子偏移90度時，磁鐵的飽和效應(yīng)為零。

與使用傳統(tǒng)直流對準方法的電機啟動相比，使用電感飽和的 IPD 速度明顯更快：傳統(tǒng)直流對準可能需要超過五秒鐘，并且可能包括反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，而 IPD 能夠在通常不到 1 毫秒內(nèi)檢測到初始轉(zhuǎn)子位置——沒有任何反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。使用電感飽和的 IPD 提供 60 度的初始檢測精度。然而，這種性能伴隨著一個不需要的噪聲分量：通常必須向電機注入六個測試電流脈沖，這會產(chǎn)生六次不需要的咔噠聲。

高級 IPD 啟動方法：基于電感飽和的顯著性

在永磁同步電機（PMSM）中，電機端口的電感根據(jù)轉(zhuǎn)子位置而變化。這種現(xiàn)象被稱為“凸極效應(yīng)”，被有意設(shè)計到某些 PMSM 中。例如，根據(jù)應(yīng)用需求，一些 PMSM 可能使用內(nèi)置式永磁同步電機（IPMSM）來增強扭矩特性，而另一些則可能使用表面式永磁同步電機（SPMSM），其凸極效應(yīng)相對較小。在圖 3 中描繪了該凸極行為隨角度的變化——即電感差異隨轉(zhuǎn)子位置的變化。

觀察電感可以檢測轉(zhuǎn)子的初始位置。由于凸極性不受磁體磁通方向的影響，0度到180度之間的凸極特性與180度到360度之間的凸極特性相同。因此，使用凸極性需要另一種方法，例如電感飽和測量，來識別北極或南極：

· 當(dāng)磁鐵（d 軸或反向 d 軸）與某相對齊時，電感將達到最大值。

· 當(dāng)磁鐵相對于某相偏移 90 度（q 軸或反向 q 軸）時，電感將達到最小值。

Allegro MicroSystems 開發(fā)的一種 IPD 技術(shù)利用了電感飽和和突顯效應(yīng)，并在電機控制器驅(qū)動器中采用了專門的模擬檢測電路。突顯測量使用高精度比較器實現(xiàn)。這能夠在六個 PWM 周期內(nèi)檢測到突顯特性，通常情況下。在突顯測量完成后，會對繞組施加一個測試電流脈沖以檢查電感飽和，這用于識別磁極。

此方法允許忽略對準，能夠在不移動軸的情況下在不到 1 毫秒內(nèi)檢測初始位置，并提供額外的靈活性：如果目標電機的突顯度較低，可以使用電感飽和僅檢測初始位置。與僅依賴電感飽和的傳統(tǒng) IPD 方法相比，Allegro IPD 方法使用兩階段 IPD 方法，因此將所需測試脈沖電流從六減至兩，減少了咔噠聲的數(shù)量。此外，利用突顯效應(yīng)將初始檢測精度從 60 度提高到 30 度，與傳統(tǒng)的 IPD 方法相比。Allegro IPD 方法提供更快、更準確、更安靜初始檢測能力，并實現(xiàn)快速、可靠、非反轉(zhuǎn)啟動。提供評估 GUI 以驗證啟動性能。

結(jié)論和建議

本文中討論的 BLDC 電機啟動方法的比較總結(jié)見表 1。Allegro IPD 方法的轉(zhuǎn)速、精度、非反轉(zhuǎn)和噪聲特性，使這種啟動技術(shù)成為適用于通用和汽車用途的風(fēng)扇電機的理想選擇。使用 Allegro IPD 方法的傳感器 less 電機控制器包括 A89301 [1]和 A89306 [2]適用于通用風(fēng)扇市場，以及 A89307 [3]適用于汽車風(fēng)扇電機。這些產(chǎn)品使用磁場定向控制（FOC）系統(tǒng)驅(qū)動電機。驅(qū)動參數(shù)——包括 Allegro IPD 方法——可以通過 I2C 通信接口選擇并保存到內(nèi)部 NVM，電機可以使用預(yù)編程參數(shù)旋轉(zhuǎn)。