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开始使用 BLDC 电机和 Infineon 的无传感器场定向控制
在我们的家中、工作场所、车辆中，电机无所不在。以典型的现代汽车为例，车辆中分布着平均约 35 个电机。在从燃油泵到车窗升降器的各种应用中，均会使用标准直流和无刷直流 (BLDC) 电机（图 1）。
图 1.直流和无刷直流 (BLDC) 电机的典型应用。（图片来源：Infineon）
随着电动和混合动力车辆的增多，每辆车配备的电机数量呈上升趋势。除汽车外，直流和 BLDC 电机还广泛用于许多工业自动化、控制和机器人应用中。
由于 BLDC 电机比有刷直流电机更具性能优势，因此通常用于要求更苛刻的应用。相比直流电机，BLDC 电机效率更高、使用寿命更长、扭矩重量比更高。BLDC 的缺点在于成本较高，以及需要额外的控制器电路。
就个人而言，我最近升级了自己的电池供电式电钻和冲击起子，把有刷电机改成了无刷直流电机技术。扭矩和电池寿命的改进十分突出，支出额外成本也值得。
BLDC 电机
BLDC 电机是传统标准直流电机的变体。基本区别在于，BLDC 电机需要通过电子方式而非机械电刷进行换向。BLDC 电机的转子含永磁体，定子上缠绕有一组对应的磁极。控制电路用于为绕组通电，并生成旋转磁场。当转子磁铁尝试与旋转的定子磁场对齐时，就会产生运动和扭矩。
无传感器场定向控制 (FOC)
无传感器场定向控制 (FOC) 是用于控制 BLDC 电机速度和扭矩的方法之一。场定向控制（又称为矢量控制）是一种用于生成三相正弦调制的技术，然后能以频率和振幅进行控制。通过计算将三相信号转换为电机控制电路更易控制和实现的两相信号。无传感器控制无需使用位置传感器，而是通过测量反电动势 (EMF) 来确定转子位置。
在微控制器中采用无传感器 FOC
采用无传感器 FOC 需要进行信号测量和数学计算。若微控制器具备必要性能和外设集，就很适合实现此功能。Infineon 的 TLE9879QXA40 是集成 Arm® Cortex®-M3 内核的单芯片三相电机驱动器 SoC（图 2）。
图 2.TLE9879x 应用框图。（图片来源：Infineon）
该产品包括 6 个完全集成的优化 NFET 驱动器，通过 6 个外部电源 NFET 驱动一个 3 相电机；1 个支持低电压工作的充电泵；可编程电流；以及旨在优化 EMC 特性的电流斜率控制。其外设集包括一个电流传感器，一个与捕捉和比较单元同步的逐次逼近 ADC 以实现 PWM 控制，以及多个 16 位定时器。此外，该款电机驱动器还集成了 LIN 收发器以实现设备通信，以及多个通用 I/O。设备带有一个片载线性稳压器，为外部负载供电。
Infineon 的 TLE9879QXA40 是实现 BLDC 电机场定向控制的出色解决方案。该产品具有性能和功能集合，可在最小的板空间中实现高性能、高性价比的 BLDC 电机驱动器。深度应用说明“Sensorless Field Oriented Control with Embedded Power SoC”（含嵌入式电源 SoC 的无传感器场定向控制）详细介绍了 FOC 理论及其算法的实现方式。
使用入门
Infineon BLDC_SHIELD_TLE9879 低成本评估板是使用无传感器 FOC 的轻松入门选择。该板基于 TLE9879QXA40，旨在与兼容 Arduino 的基板一起驱动 BLDC 电机。当结合 Arduino Uno 和兼容 BLDC 电机使用时，可在一小时内启动并旋转电机（图 3）。
图 3.安装在 Arduino Uno 基板上的 BLDC_SHIELD_TLE9879。（图片来源：Infineon）
BLDC_SHIELD_TLE9879 的原理图、Arduino 库和完整文档请见 https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield。在针对此博客文章做研究时，我花时间使用了 Uno 和扩展板，让自己熟悉驱动 BLDC 电机。配置步骤、测试代码和文档参考都包含在我的 Driving a BLDC Motor with Infineon’s TLE9879Qx 3-Phase Motor Driver Shield（用 Infineon 的 TLE9879Qx 三相电机驱动器扩展板驱动 BLDC 电机）项目中，其发布在 DigiKey 的技术论坛上。
应用开发
对于那些有兴趣深入研究基于 TLE9879Qx 的设计和开发的人士，Infineon 提供了其他资源。作为起点，BLDC 扩展板上闪存的固件源代码可用作 Keil uVision 项目文件。项目文件包含在 Infineon 的“BLDC Shield for Arduino with TLE9879QXA40”（含 TLE9879QXA40 的 Arduino BLDC 扩展板）软件下载中，位于链接 BLDC_SHIELD_TLE9879 的扩展板项目页面上。此外，除了 BLDC 扩展板，DigiKey 还提供 REF_WATERPUMP100W 泵参考设计、REF_ENGCOOLFAN1KW 风扇参考设计。
总结
Infineon 的 BLDC_SHIELD_TLE9879 评估板提供了一种快速低成本的方式，助您开始使用无传感器 FOC 来驱动 BLDC 电机。对于有兴趣评估 TLE9879QXA40 和刚开始使用提供的源代码的更高级用户，该评估板也是不错的资源。
外部参考
1 – Infineon.“Motor Handbook”
关于此作者
Scott Raeker 是 DigiKey 的首席应用工程师，自 2006 年加入公司以来就一直主要负责协助无线领域的客户。他在电子行业有着超过 35 年的经验，并拥有明尼苏达大学的电气工程学位。业余时间 Scott 喜欢打理他的世纪之交农舍。
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