单片无传感器型BLDC微电机180度驱动关键技术研究

At present, as the advent of advanced control theory, new power electronic devices and high-performance digital integrated circuit, it’s possible to realize the single-chip sensorless brushless DC (BLDC) micro-motor driving. The project belongs to the crossing domain of microelectronics and electromechanics, and will focus on the key technique of single-chip sensorless BLDC micro-motor 180 degree driving. The research relates to the design theory and method of the back-EMF detection circuits, the algorithm and integrated scheme of sensorless 180 degree driving, and the dynamic model of BLDC micro-motor, etc. .The project will achieve a breakthrough in the following aspects. Promote a completely 180 degree commutation algorithm and a mechanism of the back-EMF detection, which will introduce an intelligent soft switching control method by considering the driving efficiency and the commutation noise. And the soft switching control technology not only can intelligently adjust the region of soft switching according to the motor speed intelligently, but also automatically adjust the changing speed of the PWM duty cycle according to the region of the soft switching. Establish an accurate dynamic electrical model of the sensorless BLDC micro-motor through analysing the magnetic field distribution of the permanent rotor when the motor is working. The project will realize complete driving theory and circuit scheme of the single-chip sensorless BLDC micro-motor 180 degree driving by the integration of the key technique above, which will improve our technology accumulation and research level.

随着先进控制理论的应用、新的电力电子器件以及高性能数字集成电路的出现，无传感器型BLDC微电机驱动电路单片化成为可能。课题立项属微电子与电机学交叉领域，重点研究单片式无传感型BLDC微电机180度驱动关键技术。研究内容涵盖反向电动势检测电路设计理论与方法，180度驱动控制算法与集成化方案，负载电机动态电特性模型建模等。.课题拟在以下方面取得突破：提出完整的180度换相算法及反向电动势检测机制，充分考量驱动效率和电机换相噪声，创新性的引入智能软开关控制。该软开关控制技术能够根据电机转速智能调整软开关区域大小，同时还能根据软开关区域大小自动调整PWM占空比变化快慢；基于对电机运转时永磁转子的磁场分布分析，建立精准的无传感器BLDC微电机动态负载电特性模型；将上述关键技术整合集成最终形成完整的单片无传感型BLDC微电机180度驱动理论和电路优化方案，提升我国在该领域的技术积累和研究水平。

随着先进控制理论的应用、新的电力电子器件以及高性能数字集成电路的出现，无传感器型BLDC微电机驱动电路单片化成为可能。无传感器型BLDC微电机180度驱动技术的实现能深化对反向电动势检测机制认识；其次BLDC微电机驱动电路单片化后不仅能促进片上系统集成科学与技术的发展，还能实现电机驱动系统小型化、轻薄化、低噪音化，大大提高微电机控制效率及可靠性，推动国防、工业控制及民用电子相关技术的发展。.本项目研究内容紧密围绕单片无传感器型BLDC微电机180度驱动两大关键技术：一是无传感型BLDC微电机180度驱动算法及反向电动势检测；二是驱动技术与半导体工艺集成整合，实现单片化。项目对上述关键问题进行了较深入的研究，取得了以下研究成果：.① 项目完成了无传感器型BLDC微电机180度换相驱动逻辑运算电路研究，同时对换相时产生的尖峰电压、尖峰电流机理进行了分析，设计了有效的抑制电路，形成了完整的驱动算法；.② 项目充分考虑驱动效率和电机换相噪声后，创新性的引入智能软开关控制技术。流片验证了即使加入智能软开关控制技术后仍能实现反向电动势过零信号的有效检测；.③ 搭建了高精度BLDC微电机负载电特性模型。该模型不仅能够适用本项目负载，而且还适用绝大多数三相BLDC微电机负载，能大大提高系统联合模拟精确度和研究效率；.④ 设计并完成了一颗具有独立自主知识产权的单片式无传感器型BLDC微电机180度驱动控制芯片。.本项目首版芯片已通过电子口罩方案商的测试，性能指标完全达到了国外大厂的同类芯片水平。预计会在2019年8月进行小批量试产。同时该技术不仅能够满足消费电子领域技术要求，还可以向上扩展，应用于小型工业控制及电动助力车等领域，具有较强的持续发展能力。