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如何經(jīng)濟(jì)有效地將你的應(yīng)用過(guò)渡到無(wú)刷直流電機(jī)
半導(dǎo)體集成的各種選項(xiàng)為基于同步電機(jī)的分布式智能小型驅(qū)動(dòng)方案催生出日益豐富的應(yīng)用。它們包括無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)、永磁同步電機(jī)(PMSM)和步進(jìn)電機(jī)。因其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和提高了的效率,此類電機(jī)正在許多現(xiàn)有的應(yīng)用中取代有刷電機(jī)。汽車就是個(gè)好例子。
典型汽車零部件必須具有如下特性：低系統(tǒng)成本、小巧、輕便、可靠且。同樣重要的是，還要減少?gòu)U氣排放及降低燃料消耗。需能驅(qū)動(dòng)多種電機(jī)這樣一個(gè)驅(qū)動(dòng)理念，加之對(duì)效率、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)等的要求,都對(duì)執(zhí)行器電子設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。
無(wú)刷直流電機(jī)市場(chǎng)
在美國(guó)有很多BLDC制造商。許多公司仍然專注于諸如有刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等技術(shù)。但是它們中的許多家也都在生產(chǎn)BLDC電機(jī)作為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。盡管已有許多BLDC電機(jī)制造商,尤其是生產(chǎn)小型BLDC的,但市場(chǎng)上，尚沒(méi)有很多集成控制電子方案。有能力能低成本地將智能電子與BLDC電機(jī)整合在一起的廠家尚不容易找到。
采用BLDC電機(jī)技術(shù)的市場(chǎng)在擴(kuò)大。諸如燃料或水泵、空調(diào)(采暖通風(fēng)和空調(diào))、曲面光、大燈調(diào)平及許多其它汽車功能,正在從有刷直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)為BLDC電機(jī)技術(shù)。當(dāng)然,這不能一般性地證明有刷直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)都將被BLDC電機(jī)技術(shù)取代。但電機(jī)控制電子與電機(jī)本身相比，太過(guò)昂貴這個(gè)主要論點(diǎn)，正一天天失去說(shuō)服力。此外,BLDC電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可以顯著強(qiáng)化其它系統(tǒng)屬性(見(jiàn)表1)。因此,可以預(yù)見(jiàn)向智能運(yùn)動(dòng)控制這樣一個(gè)變革終將到來(lái)。
無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)
與其它電機(jī)技術(shù)相比，BLDC電機(jī)有若干優(yōu)勢(shì),總列在表1。
表1:BLDC 電機(jī)優(yōu)勢(shì)一覽
從有刷直流過(guò)渡到無(wú)刷直流電機(jī)的問(wèn)題?
當(dāng)審視包括有刷直流電機(jī)(BDC)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí),很明顯,其控制不像無(wú)刷直流電機(jī)那么復(fù)雜。簡(jiǎn)言之：控制有刷直流電機(jī)，只要給個(gè)電壓，電機(jī)就會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)缺少經(jīng)驗(yàn)的工程師經(jīng)常擔(dān)心在轉(zhuǎn)用BLDC電機(jī)技術(shù)時(shí)會(huì)有困難,即使他們了解BLDC的優(yōu)勢(shì)。復(fù)雜的電子系統(tǒng)及需對(duì)該系統(tǒng)編程被認(rèn)為是個(gè)障礙。因電子換向?qū)е碌妮^高成本通常被認(rèn)為是個(gè)“奇葩”。
但從BDC過(guò)渡到BLDC并非困難重重。采用Micronas的HVC 4223F單片方案，電子電路可以相當(dāng)簡(jiǎn)單。
在下例中給出的方案中,連HVC 4223F在內(nèi)，只需13個(gè)器件。例如，如果系統(tǒng)已經(jīng)包含電路板,則對(duì)BOM影響不大。在許多情況,由于更率，可以選用更小電機(jī)。執(zhí)行器也可以更小，從而進(jìn)一步降低材料成本(電機(jī)、外殼、齒輪等)。
此外,可對(duì)采用HVC 4223F的BLDC控制系統(tǒng)進(jìn)行特定編程,使其從外面看與BDC電機(jī)無(wú)異,也只有VBAT和GND兩個(gè)電源連接。因此,可在不改變整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提下，對(duì)現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。另外，長(zhǎng)期看，可通過(guò)諸如網(wǎng)絡(luò)和/或診斷功能等，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)?，F(xiàn)有的應(yīng)用筆記與演示軟件可提供足夠用的功能，所以客戶不需要從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)。
用于zui大化系統(tǒng)集成和靈活驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的單片架構(gòu)
Micronas的新型高壓控制器(HVC)能支持系統(tǒng)擁有高度集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以發(fā)揮現(xiàn)代永磁激勵(lì)直流電機(jī)的性能潛力。HVC 4223F是一款集成的、內(nèi)置所有必要外圍模塊、可直接驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)/BLDC電機(jī)和雙相步進(jìn)電機(jī)的微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。外圍模塊的編程能力和用戶定義軟件支持針對(duì)不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的屬性和特征，以實(shí)施*適配。
驅(qū)動(dòng)方案集成度的不斷增加,使PMSM/BLDC的低功率/重量比(W/kg)成為可能,并影響功耗(功率/熱管理)、驅(qū)動(dòng)電路的靈活性和所選的驅(qū)動(dòng)方式以及診斷選項(xiàng)。電子的高集成密度要求借助基于特定目標(biāo)的功率管理對(duì)熱工況進(jìn)行適配。新的HVC系列產(chǎn)品提供的許多功能,可地實(shí)現(xiàn)這種適配。
根據(jù)不同應(yīng)用和操作模式調(diào)適電機(jī)激勵(lì)
汽車執(zhí)行器使用不同驅(qū)動(dòng)的概念要求能輕易地匹適電機(jī)功率橋,以及該橋是如何激勵(lì)的。HVC 4223F以其可配置的zui終輸出級(jí)、*集成和可編程的外圍模塊、及一款強(qiáng)大的Cortex-M3內(nèi)核，地解決了這個(gè)問(wèn)題。它集成了6個(gè) n/n半橋(包括充電泵)。通過(guò)對(duì)輸出管腳進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娐愤B接及對(duì)軟件進(jìn)行配置，這些半橋可適用于不同電機(jī)類型。
EPWM-Module(增強(qiáng)脈寬調(diào)制)支持針對(duì)不同操作模式和類型的電機(jī)的被動(dòng)和主動(dòng)自由環(huán)(free-wheeling)電流模式(異步/同步整流)(見(jiàn)表2)。集成的電流測(cè)量和D/A轉(zhuǎn)換器允許編程標(biāo)稱電流值(例如電流控制的微步進(jìn))。在沒(méi)使用傳感器的PMSM/BLDC電機(jī)中,轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)可通過(guò)比較器和集成星點(diǎn)參考發(fā)送,或通過(guò)采用霍爾傳感器/編碼器實(shí)現(xiàn)。另外,對(duì)步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，可選擇通勤模式(commuted mode)以實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)速。對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)適以滿足不同工作模式(全/半歩、波驅(qū)動(dòng)、微步、通勤)也是可能的或可編程的。