PI推出MotorXpert™ v3.0，进一步降低电机驱动设计和调试门槛

在现代工业与家电领域，电机作为电能转换为机械能的核心装置，几乎无处不在。无论是家用电器中的洗衣机、冰箱，还是工业设备中的自动化机械，电机的性能直接决定了设备的效率和用户体验。

因此，近年来无刷直流电机（BLDC）凭借其高效率、低噪音和长寿命等优势，正在迅速取代传统的有刷电机。根据Precedence Research的预测，2023年全球BLDC电机市场规模约为200.7亿美元，预计2032年有望增长至318.7亿美元。

BLDC电机调试难，为什么？

然而，BLDC电机的运行依赖于精确的磁场定位和高效的功率转换，通常需要集成复杂的控制算法（如矢量控制或直接转矩控制）来实现高效、稳定的运行，因此在项目实现中的难度比传统有刷电机的控制更高。

具体来讲包含以下三点：

• 启动阶段的复杂性

无刷电机在启动时，转子的初始位置是随机的，控制系统需要在短时间内确定转子位置并施加适当的电流激励，以确保电机平稳启动。

• 动态响应的精确控制

电机在不同负载条件下的动态响应需要精确调整，尤其是在家电和汽车应用中，用户对电机的噪音、效率和响应速度有着极高的要求。

• 软硬件协同调试

无刷电机的控制不仅依赖于硬件电路的设计，还需要复杂的软件算法支持。工程师需要在硬件和软件之间找到最佳平衡点，以实现电机的高效运行。

谁在给BLDC电机提供调试工具？

为了帮助工程师应对无刷电机调试的挑战，许多厂商推出了专用的调试软件。这些软件通常与硬件产品（如电机驱动芯片、逆变器等）配套使用，提供图形化的用户界面和实时监控功能，以简化调试过程。

目前，市场上针对BLDC电机控制的调试软件提供商主要集中在主控厂商方面，比如意法半导体的STM32 Motor Control SDK，德州仪器的InstaSPIN-BLDC，以及英飞凌的MOTIX™电机控制解决方案等。

这些主控厂商提供的电机调试工具主要服务于三类不同的客户群体，每类客户的需求和使用场景各不相同：

• 第一类客户：电机制造商，关注电机性能，自行开发控制软件，需要主控厂商提供电机参数和调试工具。
• 第二类客户：系统集成商，需要主控厂商提供调试工具和软件支持，以快速完成系统集成和调试。
• 第三类客户：终端设备制造商，购买集成方案但可能有定制化需求，需要主控厂商提供高级调试工具和技术支持。

值得一提的是，这些软件大多只针对自家硬件产品，缺乏通用性和灵活性。对于使用不同厂商硬件的工程师来说，调试过程仍然复杂且耗时。

PI推出MotorXpert™ v3.0，工程师多了一项选择

站在产业链的角度来看，电机控制离不开驱动器， Power Integrations（以下简称“PI”）作为电机驱动器的头部供应商，为了更好的简化系统工程师在单相和三相无感电机驱动设计和调试方面的难度，在2021年推出了专门用于对采用该公司BridgeSwitch™电机驱动器IC的无刷直流逆变器进行配置、控制和检测的软件包——MotorXpert™ v1.0版本。

2022年，PI又更新了一版，推出了MotorXpert™ v2.0，促使工程师在搭配BridgeSwitch集成半桥电机驱动器使用时，效率可达到98.2%，同时电路板空间减少70%以上。

就在近期，PI再次更新版本，推出了MotorXpert™ v3.0，降低了使用者的技术和经验门槛。

图 | MotorXpert™ v3.0拥有直观的界面，来源：Power Integrations

对此，PI资深技术培训经理Jason Yan表示：“与上一版本相比，MotorXpert™ v3.0增加了两相调制的控制方式，非常适合于高温环境下的工作应用，比如热水循环泵。新的调制方式可将逆变器开关损耗降低33%。”

“此外，MotorXpert™ v3.0还对波形可视化工具进行了五倍的改进，并增强了缩放功能，为开发人员提供了更多信息，便于电机精调和调试。” Jason Yan补充道。

MotorXpert™ v3.0可与任何MCU搭配使用？

前面提到，主控厂商的电机调试软件大都围绕自己的生态来提供，所以针对不同的电机主控，工程师们有时候需要几套软件工具组合使用。

对于使用PI提供的电机驱动IC的工程师们，有另一种选择，那就是使用MotorXpert 3.0。Jason Yan透露：“MotorXpert软件包可与任何MCU搭配使用，同时提供完善的软件代码移植指南，以简化对各种MCU的支持。它是按照MISRA标准以通用的C语言工具来实现的。”

那么，MotorXpert 3.0可以帮助工程师做哪些事情呢？根据PI提供的信息，MotorXpert 3.0包括三个主要部分：

1. 内嵌于本地MCU或DSP上的复杂数学算法可以利用BridgeSwitch IC的信息构建生成精确的反馈信号，进而实现对开关模式的实时控制。
2. 主机端应用程序可对逆变器的操作进行编译，并以明确的格式显示关键数据，供工程分析使用。
3. 简单易用的控制界面允许开发工程师进行各种试验，以快速完成最终产品定型。

图 | MotorXpert v3.0可协助工程师完成每个工作阶段的调试，来源：Power Integrations

据悉，Motor Expert 3.0全面支持PI的IHB逆变器用IC产品，包括BridgeSwitch和BridgeSwitch-2。同时，它还支持BridgeSwitch-2的电流监测功能，能够实时检测电机绕组中的电流大小和方向。这一功能对于实现精确的电机控制至关重要，尤其是在需要高动态响应的应用场景中。此外，软件还支持无感相电流检测，通过内部算法实时估算电机绕组的电流状态，无需外部传感器，从而降低了系统复杂性和成本。

在故障报告方面，Motor Expert 3.0提供了两种故障报告方式：EF引脚硬件关断和FAULT引脚软件关断。EF引脚硬件关断方式通过硬件直接关断逆变器，减轻了MCU的负担；而FAULT方式则通过MCU实现更精确的系统保护。这两种方式可以根据具体应用需求灵活选择，确保系统在故障情况下的安全性和可靠性。

在节能方面，Motor Expert 3.0引入了睡眠模式，能够将三相电机的待机功耗降至10mW以下，这一特性对于满足欧盟ErP指令对家电待机功耗的要求至关重要。

图 | MotorXpert 3.0 支持BridgeSwitch-2的所有新特性，提供一站式的逆变器解决方案，来源：Power Integrations

对此，Jason Yan结合自家驱动IC产品指出，传统的IPM模块由于内部集成了六个开关及驱动电路，其驱动电路始终会消耗功率，难以满足整机待机功耗小于300mW的要求。而BridgeSwitch-2的睡眠模式则有效解决了这一问题，使得系统在待机状态下的功耗大幅降低，为其他功耗设计留出了更多空间。

在电流检测方面，Motor Expert 3.0采用了IPH增益调整的电流反馈方式，通过电阻上产生的压降检测相电流。与传统的外部电流检测电阻方案相比，IPH方式不仅简化了电路设计，还提高了检测信号的抗干扰能力。传统方案需要额外的放大和滤波电路，增加了系统复杂性和成本，而IPH方式则通过内部检测实现了更高的效率和更低的成本。

此外，Motor Expert 3.0能够根据不同型号的产品自动选择相应的器件，简化了工程师的调试过程。软件还提供了灵活的配置选项，支持多种控制算法和参数调整，满足不同应用场景的需求。无论是初学者还是经验丰富的工程师，都可以通过Motor Expert 3.0快速实现电机控制系统的调试和优化。