世平安森美 如何使用ecoSpin系列工具（ECS640A开发平台） 驱动BLDC

本文讨论了加速提高能源效率的趋势，以及对隔离式开关电源应用设计的影响。
随着工业、 汽车和家电行业调整其产品以满足政府的能源效率目标，高效的电机技术(如BLDC) 变得更具吸引力，从而引领环境可持续产品向前发展。
安森美提出了一种“易于使用”的解决方案，ecoSpin 600 V ECS640A电机控制装置，用于设计使用了BLDC电机的应用。 ecoSpin开发平台可使BLDC。

本文逐步介绍了使用带有ecoSpin DTFC*GUI应用程序和ECS640A评估板，驱动BLDC的过程。最后，还介绍了如何使用 ecoSpin DTFC* GUI 驱动 BLDC 运动的指令。

*DTFC - Direct Torque and Flux Control是一种电机矢量控制方法

ECS640A开发平台包括以下功能：

• 用户友好的ecoSpin DTFC GUI应用程序
• ECS640A EVB板（已嵌入式电机控制DTFC固件）
• 可配置的DTFC参数
• 使用单套闭环控制的无缝电机特性
• BLDC电机启动/停止指令和顺时针(CW)和逆时针(CCW)速度选择
• 在显示屏或图形界面中实时监测电机性能变量
• 隔离式USB通信  

2023年1月，美国能源部(DOE)将提高暖通空调设备允许的最低效率，这是在过去五年中第二次提高该指标。商业和住宅的暖通空调系统都受到影响，预计住宅暖通空调系统需求将增加7%。

提高能源效率的趋势并不新鲜，且一直在全球范围内推动所有隔离式开关供电系统符合特定的市场目标；为了实现这一目标，一种新的技术——采用无刷直流(BLDC)电机拓扑结构已经成功应用。

BLDC拓扑结构已经取代了众所周知的分相感应电机拓扑结构， 在不同电力应用下，可以平均减少30%的能源消耗；在相同的功率应用下，与分相异步电动机相比，BLDC拓扑结构需要更少的原材料，更高的输出功率与电机尺寸比。

使用简单的驱动电路(如12伏直流继电器元件)额定的电机启动电流(大约是电机额定电流 的7～10倍)可以实现分相感应电机的固定速度运行。BLDC拓扑结构需要一个更专业的电路来启动和执行变速控制(例如，一个3相电压刚性逆变器)。

图1描述了一个典型的离线供电的有感或无感BLDC电机速度控制电路。

BLDC电机的迁移过程，不仅有新的电子硬件部件，还提供了软件控制算法。专用的BLDC控制软件有多种类型(如梯形或6步控制、FOC以及DTFC)，每种类型都能解决最终系统应用中需要的特定电机速度动态；特别是实现BLDC无传感器矢量控制应用，电子硬件和软件集成是实现良好的电机性能的关键。

从简单的直流继电器激活过渡到三相电压刚性逆变器，需要专门的、有经验的电子硬件和软件电机控制团队、多个设计周期才能达到预期的性能；因此onsemi推出了通过结合Arm Cortex-M0+内核和具有世界先进的驱动器、反馈电路，在600V BLDC控制应用中的性能水平达到新的高度；并且凭借其小尺寸封装和高集成度，可以简化嵌入式电机控制系统。

ecoSpin ECS640A系统级封装(SiP)集成电路通过集成尖端的ARM Cortex来支持传统的电机控制技术，如梯形和矢量控制(如FOC)，实现可扩展的无刷直流电机解决方案；最值得注意的是，该方案通过一个可扩展的3相半桥拓扑结构驱动更复杂的DTFC算法，支持高电压和高功率。它支持多个通信接口(SPI、UART、I2C和GPIO)，可以接收各种复杂的、通用的协议；双向通信接口的性质也能及时反馈电机性能信息；支持无传感器和有传感器的操作。图2显示了详细的ECS640A器件内部图。    

ecoSpin ECS640A拥有嵌入式600V栅极驱动器和专用电机控制引擎，可向外部的分立功率IGBT发出所需的PWM调制信号，并通过外部并联电路反馈BLDC电机相应的3相电流。使用配对的运算放大器，通过ARM内核计算调节这三个电机电流信号。单个IC封装中的灵活性和集成度，重新定义了BLDC的控制性能，其外形尺寸仅为10 mm x 13 mm(0.5 mm引脚间距)；紧凑的尺寸可以优化Power Stage的放置并减少噪音干扰。高度集成的 QFN 表面贴装解决方案无需在微控制器、栅极驱动器、自举二极管和运算放大器选择上花费设计周期，从而缩短了上市时间，并在扩展 BLDC 电机功率电平要求时简化了解决方案的重用。更换许多更大、更复杂的器件可提高可靠性，同时缩小PCB布线面积，以提供整体紧凑的解决方案。

onsemi与Theta Power Systems International的合作，为您的BLDC系统解决方案提供所需的专业技术，以缩短上市时间并便于采用。ECS640A在发货时，可购买定制的DTFC算法，根据您所需BLDC功率水平进行优化。

ECS640A开发平台 ECS640A开发平台有以下三部分：

1. ECS640A评估板 (STR-ECS640A-GEVB)
2. ecoSpin DTFC 电机控制器图形界面 (ecoSpin DTFC GUI应用程序)
3. 嵌入式电机控制 DTFC固件

每个元素对于实现目标3相BLDC的运行都是必不可少的。图3显示了这些元素的作用以及它们之间的联系。ECS640A评估板嵌入了 "DTFC电机控制 "固件，可与基于Windows的计算机上运行的 "ecoSpin DTFC GUI "应用程序进行数据通信。

ECS640A评估板

onsemi开发了该评估板，以支持客户在使用ecoSpin ECS640A电机控制系统设计应用，下面列出了评估板的一些功能。

• 单个ECS640A封装，包含逻辑控制器、600V栅极驱动器、自举二极管和运算放大器，输出功率高达650W
• 输入交流整流使直流母线配置为120 Vac或230 Vac的电源输入电压
• 感应能力:三相电机电流、直流母线电压、环境温度、霍尔传感器(可选)。
• 串行接口J-link SWD，SPI，USB-UART
• 由六个onsemi IGBT(FGPF15N60UNDF)组成的功率级逆变器
• NCP10970 DC/DC转换器用于提供15 VDC(降压拓扑结构)和3.3 VDC(嵌入式LDO) 。

ecoSpin DTFC GUI应用

ecoSpin DTFC GUI是一个基于windows的应用程序，旨在实现与EVB和DTFC电机控制固件的高级接口，并快速启动BLDC电机控制系统的测试。ecoSpin DTFC GUI允许用户配置新的机电马达参数，并向ecoSpin ECS640A闪存发送和加载这些数据。保存和加载电机控制参数文件可在测试不同电机规格时轻松改变设置。此外，使用快速访问按钮可以执行电机运行和停止动作，同时可以看到实时电机性能数据。图4和图5显示了一个单一窗口应用程序中的所有这些功能。

• 用户友好的GUI
• 可配置的BLDC电机和电机控制参数，用于直接扭矩和磁通量控制(DTFC)算法
• 使用单组闭环控制参数的无缝电机机电特性分析
• 启用电机启动/停止命令和顺时针(CW)和逆时针(CCW)速度参考选择
• 在显示屏或图形波形界面中实时监测电机性能变量。
• 隔离式USB通信

ECS640A评估板在出厂时已在ECS640A存储了嵌入式DTFC算法。在基于Windows的笔记本电脑上的安装ecoSpin DTFC GUI，通过USB电缆连接笔记本电脑和EVB进行通信；梯形马达控制算法也可以从onsemi网站下载。(www.onsemi.com/design/tools−software/strata−developer−studio).

开始使用ECS640A开发平台

在简单介绍了每一个ecoSpin ECS640A开发平台元素后，人们可以评估以下步骤，以实现您的BLDC方案。

第 1 步: 访问 onsemi.com上的 ecoSpin ECS640A产品页面www.onsemi.com/products/motor−control/ecospin−motor−controllers/ecs640a ，获取最新的技术信息。

第2步:联系onsemi销售人员或经销商，订购ECS640A评估板(P/N STR-ECS640A-GEVK)。

第3步:访问onsemi Strata Developer Studio页面www.onsemi.com/design/tools−software/strata−developer−studio，并下载云端连接的评估板的管理工具软件。启动Strata Developer Studio应用程序，搜索ECS640A(见图6)，浏览 最新的文档和软件工具(如ecoSpin DTFC GUI应用程序)。

第4步:下载 "ecoSpin DTFC Interface.exe "应用程序(见图7)。

第5步:浏览《ECS640A EVB用户手册》(EVBUM2816/D文件)，在Strata Developer Studio环境中熟悉ECS640A开发板的连接器和接口(见图7)。

第6步:在基于Windows的笔记本电脑上启动 "ecoSpin DTFC Interface.exe "应用程序。浏览 "ecoSpin DTFC GUI 用户手册"(UM70067文件)，并遵循 "新三相无刷直流电机设置过程 " 部分(见图8)。该用户手册部分说明了如何捕捉BLDC电机参数和输入ecoSpin DTFC GUI参数列表。DTFC参数列表使ECS640A EVB上的ecoSpin DTFC嵌入式软件能够正确驱动BLDC。

第7步:使用ECS640A EVB盒中提供的USB电缆将ECS640A EVB的J3串行通信连接器连接到笔记本电脑的USB端口。参见图9中的J3连接器细节。

 

 第8步:按照PCB丝印描述的相位顺序，将三相电机接线连接到ECS640A EVB J2连接器。详见图 10。

第9步:将交流电源接线电缆连接到ECS640A EVB的J1连接器上，并给EVB单元上电。确保 EVB的输入整流拓扑结构与交流电源电压水平相匹配(ECS640A EVB单元出厂时的默认交流120V AC)。详见图11。

第10步:启用 ecoSpin DTFC GUI 与 ECS640A EVB 的 USB 通信，并将设置的参数下载到 ECS640A 闪存中。用户手册文件(UM70067)中的 "USB连接 "和 "ECS640A EVB发送和重新加载参数 "部分描述了详细过程。

第11步:使用 "ecoSpin DTFC GUI "应用程序发出三相无刷直流电机 "运行电机 "命令。默认 的 "电机速度参考 "和 "电机加速度参考 "水平会根据目标 BLDC 电机参数自动生成。用户手册文件(UM70067)中的 "BLDC 电机命令 "部分描述了详细过程。

第12步:在 "图形反馈 "窗口中绘制电机实时性能数据，并根据你的系统应用行为微调PI速度增益。详见用户手册文件(UM70067) "图表反馈 "窗口功能部分。

请通过访问Strata Developer Studio，可以更新ECS640A。