針對吸塵器行業(yè)同時存在有刷直流電機(jī)與無刷BLDC電機(jī)的現(xiàn)狀，本文提出一套硬件兼容型驅(qū)動方案，可通過跳線/配置切換驅(qū)動有刷馬達(dá)與三相BLDC馬達(dá)。系統(tǒng)以單顆MCU為控制核心，采用復(fù)用型功率拓?fù)?、統(tǒng)一電源架構(gòu)、兼容式檢測與保護(hù)電路，在最小硬件改動下實(shí)現(xiàn)兩類馬達(dá)驅(qū)動，大幅降低研發(fā)、備貨與維護(hù)成本。文章重點(diǎn)闡述主功率電路、電源電路、采樣電路、保護(hù)電路及接口兼容設(shè)計(jì)方法，給出工程實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)。實(shí)測表明，該方案可穩(wěn)定驅(qū)動18V/200W以內(nèi)吸塵器馬達(dá)，效率高、保護(hù)完善、EMC性能滿足家電標(biāo)準(zhǔn)，適用于多機(jī)型共用平臺。 吸塵器市場中，低成本有刷電機(jī)與高效BLDC電機(jī)長期并存。傳統(tǒng)方案采用兩套獨(dú)立硬件，開發(fā)周期長、BOM繁雜、生產(chǎn)管理成本高。因此，設(shè)計(jì)一套有刷/BLDC硬件兼容的驅(qū)動系統(tǒng)，對企業(yè)平臺化、系列化開發(fā)具有重要工程價(jià)值。 14.4~21.6V鋰電池供電、額定電流≤15A的便攜式吸塵器為應(yīng)用對象，提出單PCB、單MCU、功率級復(fù)用的硬件架構(gòu)，通過最小化外圍器件實(shí)現(xiàn)兩類馬達(dá)驅(qū)動兼容，同時保證效率、可靠性與EMC性能。 2 系統(tǒng)總體架構(gòu) 系統(tǒng)采用模塊化、可配置硬件架構(gòu)，主要包括： - 電源轉(zhuǎn)換電路（共用） - 主功率驅(qū)動電路（可配置為H橋/三相全橋） - 電流/電壓采樣電路（共用） - 位置/轉(zhuǎn)速檢測電路（兼容切換） - 保護(hù)電路（過流、過溫、欠壓、堵轉(zhuǎn)共用） - MCU控制核心（共用，程序區(qū)分模式） 通過**0Ω電阻、跳線帽或軟件配置IO，可在生產(chǎn)或整機(jī)裝配時設(shè)定為： 1. 有刷模式：正反轉(zhuǎn)+調(diào)速 2. BLDC模式：方波六步換向/FOC無感驅(qū)動 整體體積小、散熱設(shè)計(jì)統(tǒng)一，可直接兼容吸塵器結(jié)構(gòu)安裝。

3 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主功率兼容電路設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)有刷/BLDC共用，功率級采用6管三相全橋拓?fù)洌ㄟ^接線方式切換工作模式： - BLDC模式：6管構(gòu)成三相全橋，驅(qū)動U、V、W三相繞組； - 有刷模式：使用同側(cè)半橋構(gòu)成H橋，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)與PWM調(diào)速。 功率器件選用40V/60V等級、低導(dǎo)通電阻MOSFET，Rds(on)≤5mΩ，滿足大電流、低損耗需求。 柵極驅(qū)動采用半橋驅(qū)動芯片，支持自舉升壓，上下橋獨(dú)立使能，可靈活分配驅(qū)動信號。 驅(qū)動芯片供電為12V，MCU為3.3V，死區(qū)時間硬件固定，避免直通。 該拓?fù)錈o需改動PCB，僅通過接線定義即可切換，實(shí)現(xiàn)硬件最大化復(fù)用。

3.2 共用電源電路設(shè)計(jì) 電源系統(tǒng)完全共用，分為兩級： 1. 母線電源：電池直接供給功率級，輸入端配置TVS管+電解電容+高頻瓷片電容+共模電感，抑制浪涌與EMI； 2. 輔助電源：采用同步降壓DC/DC將電池電壓轉(zhuǎn)為12V，供驅(qū)動芯片；再經(jīng)LDO輸出3.3V供MCU與采樣電路。 電源靜態(tài)功耗低、紋波小，保證兩種模式下系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

3.3 電流采樣與檢測兼容設(shè)計(jì) 采用單電阻/雙電阻采樣復(fù)用方案： - BLDC模式：下橋臂單電阻采樣重構(gòu)三相電流； - 有刷模式：直接采樣母線總電流。 采樣電阻為0.01Ω合金電阻，信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大送入MCU ADC。 電流檢測范圍0~20A，響應(yīng)速度快，同時支持硬件過流比較器，實(shí)現(xiàn)μs級快速關(guān)斷。 轉(zhuǎn)速檢測同樣兼容： - 有刷：通過電樞電流紋波或外置霍爾測速； - BLDC：反電動勢過零檢測或內(nèi)置霍爾位置信號。

4 共用保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 保護(hù)電路硬件完全共用，提升可靠性： 1. 過流保護(hù)：硬件比較器觸發(fā)，響應(yīng)＜5μs，防止MOSFET擊穿； 2. 過溫保護(hù)：NTC貼裝在功率管附近，85℃降額、105℃關(guān)斷輸出； 3. 欠壓保護(hù)：檢測電池電壓，低于11V禁止啟動，防止電池過放； 4. 堵轉(zhuǎn)/卡死保護(hù)：兩種模式下均通過電流與轉(zhuǎn)速判斷，300ms無反饋立即停機(jī)。 保護(hù)機(jī)制不依賴模式切換，實(shí)現(xiàn)硬件級安全兜底，顯著提升整機(jī)壽命。

5 PCB與EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn) 為兼容兩種馬達(dá)干擾特性，PCB遵循以下原則： - 功率回路短、寬、直，減小寄生電感與尖峰； - 數(shù)字地、模擬地、功率地分區(qū)單點(diǎn)連接，抑制地噪聲； - 功率線與信號線隔離，PWM線包地處理； - 輸入配置共模電感+X電容，滿足GB/T 4343.1家電EMC要求。 散熱采用大面積覆銅與厚銅設(shè)計(jì)，保證有刷大電流工況與BLDC高頻率工況均不過熱。

6 方案特點(diǎn)與測試結(jié)果 6.1 核心優(yōu)勢 - 一套硬件兼容兩類馬達(dá)，大幅降低研發(fā)與模具成本； - 功率、電源、采樣、保護(hù)高度復(fù)用，BOM精簡； - 保護(hù)完善、EMC達(dá)標(biāo)，適合吸塵器批量生產(chǎn)； - 可通過軟件快速切換功能，便于多檔位、多機(jī)型擴(kuò)展。 6.2 實(shí)測性能 - 輸入電壓：14.4~21.6V - 持續(xù)輸出電流：12A，峰值20A - 有刷模式效率：≥82% - BLDC模式效率：≥90% - 過流、過溫、欠壓保護(hù)響應(yīng)迅速、動作可靠 - EMC傳導(dǎo)與輻射均滿足家用吸塵器標(biāo)準(zhǔn)

7吸塵器馬達(dá)驅(qū)動板系統(tǒng)硬件電路（有刷/BLDC兼容方案），通過統(tǒng)一架構(gòu)、功率復(fù)用、檢測共用、保護(hù)一體化，實(shí)現(xiàn)了單硬件平臺驅(qū)動兩類電機(jī)。方案具有成本低、通用性強(qiáng)、可靠性高、易于量產(chǎn)等特點(diǎn)，非常適合吸塵器企業(yè)進(jìn)行平臺化、系列化開發(fā)。 在硬件不變的前提下，僅通過接線與軟件配置即可適配不同機(jī)型，有效縮短開發(fā)周期、降低庫存壓力，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值與推廣意義。

審核編輯 黃宇