כיצד לאזן את הפשרות בתכנוני בקרת- מנועים BLDC תלת-מופעיים

מנועי Brushless DC ללא מברשות (BLDC) זוכים לחלק גדל והולך של השוק לעומת טכנולוגיות מנוע אחרות, במיוחד בשוקי הרכב והרפואה, ודבר זה האיץ את פיתוחם של גישות חדשות לתכנון בקרת המנועים. כעת, על המתכננים להחליט איזו גישה תואמת יותר לכל יישום. הגישה המסורתית היא לפתח את מעגל בקרת המנוע מרכיבים דיסקרטיים, אולם התפתחויות אחרונות מציעות פתרונות בעלי שבב יחיד, המבוססים על System on Chip () או מוצרים תקניים מיוחדים ליישום [Application-Specific Standard Product ()] , כמו גם גישה דו-שבבית.  בעוד כל הפתרונות החד-שבביים והדו-שבביים החדשים ביותר מציעים צמצום במספר הרכיבים ובמורכבות התכנון, לכל גישה יתרונות וחסרונות מסוימים. את אלה המתכנן חייב להבין כדי לאפשר עריכת הפשרה הטובה ביותר בין גמישות ושילוב חוסך-מקום. ללא תלות באיזו גישה משתמשים, מערכת מנוע אופיינית מורכבת משלושה יסודות עיקריים: מכלול ספק-הכוח, מזין המנוע ויחידת הבקרה. מעגל מסורתי, מבוסס על רכיבים דיסקרטיים, כמתואר באיור 1, משתמש במעבד RISC פשוט עם הבזק על-השבב, כדי לבקר את מזיני השערים, אשר, בתורם, מזינים את ה-MOSFETs החיצוניים. שיטה חילופית היא להזין את המנוע ישירות ממעבד, עם MOSFETs משולבים ומווסת מתח לשם הזנת המעבד והמזין. כל היסודות הללו משולבים אופיינית בתוך מזין מנוע SoC. בנוסף, SoC מציע את היתרון של כושר תכנות, המאפשר לו לשמש במסגרת יישומים שונים. בתור גישה חד-שבבית, SoC מתאים גם ליישומים בעלי מרווח-בכרטיס מוגבל.  המגרעת של השימוש בתכנון מבוסס-SoC היא שביצועי העיבוד הנמוכים יותר והזיכרון הפנימי המוגבל פירושם שהוא אינו יכול למלא אחר דרישות היישומים הדורשים בקרת מנוע מתקדמת. מגרעת נוספת היא שבהשוואה למערכי הכלים לפיתוח הנרחבים המסופקים על-ידי יצרני המיקרו-בקרים, יש משמעותית פחות תמיכה עבור פיתוח הקושחה במזיני מנוע SoC.  הגישה החד-שבבית החלופית היא להשתמש במזין מנוע Application-Specific Standard Product (), המתוכנן במיוחד עבור כל יישום. היתרונות של השימוש ב-ASSP הם שהם תופסים מקום מזערי על הכרטיס, דבר העושה אותם אידיאליים עבור יישומים המוגבלים במקום. מזין מנוע בעל מאוורר עצמאי DFN עם 10 פינים מוצג באיור 2. ASSPs גם מבטלים את הצורך בכוונון התוכנה בעוד הם מציעים יחס מחיר-ביצועים מצוין ביישומים רבי-נפחים וביצועים היכולים להתאים לאלה של מיקרו-בקר בעל איכות. מזין מנוע ASSP יכול, לדוגמה, לשמש להזנת מנוע BLDC תוך שימוש באלגוריתמים ללא חיישנים וסינוסיים. על אף יתרונות אלה, ל-ASSPs חסר כושר התכנות שיאפשר להם לשנות ממדים כלפי מעלה עד כדי עוצמות הזנה גבוהות יותר והגמישות להתאים לשינויים עתידיים בשוק.  בשעה שאסטרטגיות תכנון מבוססות על SoC או ASSP יכולות לסייע למתכננים למלא את המגמה המתמשכת לקראת מזעור, יישומים אחרים משתמשים בגישה הדו-שבבית המשלבת מיקרו-בקר המיוטב עבור גישה אנלוגית בחיבור עם מזין חיצוני. גישה זו מאפשרת למתכנן לבחור בין מגוון רחב של מיקרו-בקרים המיוטבים עבור שינויים בעלי חיישן או ללא-חיישן המשתמשים בטכניקות הזנה טרפציות או סינוסיות. כאשר בוחרים את שבב ההזנה המלווה את המיקרו-בקר, חיוני שהמזין יעשה יותר מאשר הספקת שיעורי-הספק מתאימים עבור מנוע ה-MOSFET או ה-BLDC. עליו גם לשלב מווסת מתח יעיל, המסוגל למזער את פיזור ההספק תוך כדי הזנת הספק למגוון רחב של מיקרו-בקרים. גושי הניטור ותוכנת השירות חיוניים גם כדי להבטיח את הפעולה הבטוחה של המנוע ולאפשר תקשורת דו-כיוונית בין המארח והמזין. פרמטרים ניתנים לבחירה יאפשרו לייטב את ביצועי המזין ללא תוספת תכנות. פיתרון דו-שבבי אופייני מוצג באיור 3. גישה זו משלבת מזין-מנוע תלת-מופעי עשיר בתכונות, כגון ה-MCP8024 של Microchip, עם בקר אותות דיגיטלי (digital signal controller – ) כדי להזין שישהMOSFETs N-ערוציים לשם הבקרה המכוונת לשדה של מנוע סינכרוני בעל מגנט קבוע (Permanent-Magnet Synchronous Motor – ). ניתן להשתמש במיקרו-בקר קו-ייחוס בעל עלות נמוכה יותר במקום ה-DSC כאשר משתמשים בארכיטקטורת בקרה פשוטה בעלת שישה שלבים. השינוי מ-DSC למיקרו-בקר 8 – ביט ניתן למימוש מבלי לשנות את מעגל ההזנה אם משתמשים במנוע BLDC בעל דירוג הספק דומה.
היתרונות היחסיים של תכנוני בקרת-מנועים BLDC חד-שבביים, מבוססים על SoC או ASSP, והגישה הדו-שבבית המשתמשת במיקרו-בקר או DSC ומזין-עזר, מוצגים בטבלה 1. היא מראה שכאשר SoC או ASSP ימלאו את הצרכים של יישום מוגבל-במקום, מערכי הנתונים הקבועים שלהם משולבים עם זיכרון מוגבל ותהליך עיבוד מקטינים משמעותית את הגמישות ואת כושר ההרחבה של התכנון.  ההופעה של גישות חד-שבביות ודו-שבביות לבקרת מנועים BLDC מאפשרת למתכננים להקטין את עלות הרכיבים והמקום על הכרטיס בהשוואה למעגלים מסורתיים המבוססים על רכיבים דיסקרטיים. תכנוני הייחוס והספריות של חומרה וקושחה המסופקים על-ידי היצרנים דוגמת Microchip, גם מקטינים משמעותית את זמן הפיתוח כדי להביא לשוק תכנוני בקרת מנוע מתקדמים והזנות.