使用PWM生成模式驱动BLDC三相无刷直流电机

引言

  在 TI 的无刷直流 (BLDC) DRV8x 产品系列使用的栅极驱动器应用中，通常使用一些控制模式来切换MOSFET 开关的输出栅极。这些控制模式包括：1x、3x、6x 和独立脉宽调制 (PWM) 模式。
  不过，DRV8x 产品系列（例如 DRV8311）中还有一项新技术，即 PWM 生成模式。PWM 生成模式允许用户通过德州仪器 (TI) SPI (tSPI) 写入器件寄存器来打开和关闭 MOSFET 栅极输出。这种新控制模式的优势在于其允许通过串行接口配置 PWM 周期、频率和占空比。
  因此，借助此控制模式，用户可以通过发送 SPI 读取/写入信号来实现具有稳健电机控制功能的更紧凑的系统，而无需使用来自 MCU 的多个 GPIO 输入。

tSPI 系统设计优势

  使用 DRV8311P（DRV8311 的 tSPI 型号）PWM 生成模式的一个系统级优势是消除了 INHx 和 INLx 引脚。
  BLDC DRV8x 器件通常需要三个 INHx 引脚和三个INLx 引脚来控制栅极驱动器输出。因此，如果用户想要驱动多个电机，则需要六倍于 MCU 中电机 GPIO 引脚数量的引脚。
  通过使用基于 tSPI 的 PWM 生成模式，使用四根导线即可通过 SPI 进行通信，如图 1 所示。此外，tSPI 允许随机访问 DRV8311P 器件，使用通用呼叫地址，并且能够以任何顺序执行读取/写入。

  有关在多电机系统中使用 tSPI 的更多信息，请参阅使用 tSPI 协议减少下一个多电机 BLDC 设计中的导线数量。

PWM 生成模式

  在 PWM 生成模式下，可以使用以下换向方法：梯形、正弦和磁场定向控制 (FOC)。通过使用 SPI 将相位驱动器输出设置为正确状态，即可实现这些方法。例如，DRV8311P 允许用户写入 PWM_STATE 寄存器，从而控制每个相位的高侧和低侧 MOSFET 的行为。
此外，该控制模式允许用户以精确粒度配置 PWM 信号的占空比。例如，当 PWM 频率为 20kHz 时，用户可以实现每位 0.2% 的占空比粒度。要使用 DRV8311P实现这个值，请进行以下计算：

1. 使用方程式 1，通过配置可生成指定 PWM 频率的PWM_PRD_OUT 位来设置 PWM 周期输出。
   

• PWMPRD = PWM_PRD_OUT 值
• FSYS = 内部系统时钟频率（大约 20MHz）
• fPWM = PWM 频率

2. 通过配置 PWM_Duty_OUTx 位来设置每个相位输出的占空比，使用以下公式：
   ∆value = 0.01 × PWMPRD × ∆per (2)
   • Δvalue = PWM_DUTY_OUTx 值
   • Δper = 占空比 (%)

3. 要计算可实现的粒度级别，请根据方程式 2 对Δper 求解，该公式变形如下：
   ∆per =∆value/0.01 × PWMPRD
   (3)
   在本示例中，PWMPRD 为 500，Δvalue 设置为 250。
   通过使用方程式 3 求解 Δper，得出 Δper 为 50.0%。
   如果 Δvalue 增加 1（即 Δvalue = 251），Δper 变为50.2%。因此，20kHz PWM 频率下的占空比粒度为0.2%。

DRV8311P 占空比步长精度

  为展示上一节中提到的粒度级别，将 DRV8311P 的输入占空比从 50.0% 开始，按 0.2% 步长递增，直到输入占空比达到 51.0%。在本测试中，A 相的高侧 (HS)受 PWM 控制，B 相的低侧 (LS) 为导通状态，C 相的HS 和 LS 为关断状态。表 1 展示了观察到的粒度级别。

表 1. DRV8311P 占空比粒度

  图 2 和图 3 是在占空比测量过程中，在 OUTA 上观察并捕获的波形，对应表 1 中的前两行数据。

  如图 2 和图 3 所示，测得的占空比如预期一样增加了0.2%。

DRV8311H 占空比步长精度

  为与使用 PWM 生成模式的 DRV8311 tSPI 型号所观察到的精度水平进行比较，使用 DRV8311H（硬件型号）进行了相同的测试。同样，A 相 (INHA) 的高侧(HS) 受 PWM 控制，B 相 (INLB) 的低侧 (LS) 被拉高，C 相的 HS 和 LS 保持低电平。表 2 展示了DRV8311H 的占空比步进粒度。

表 2. DRV8311H 占空比粒度

  图 4 和图 5 是在占空比测量过程中，在 OUTA 上观察并捕获的波形，对应表 2 中的前两行数据。通道 1（黄色）捕获输入 PWM 信号，而通道 2（蓝色）捕获测量的 PWM 信号。

结论

  如前所述，如果用户正确设计 PCB 并执行正确的系统操作，PWM 生成模式可以作为一个功能强大的工具，用于帮助减少系统中不必要信号的数量。根据本文所示的占空比步长精度数据，PWM 生成模式是可用于电机控制的可靠方法。