如何經(jīng)濟有效地將你的應用過渡到無刷直流電機

半導體集成的各種選項為基于同步電機的分布式智能小型驅動方案催生出日益豐富的應用。它們包括無刷直流電機(BLDC)、永磁同步電機(PMSM)和步進電機。因其技術優(yōu)勢和提高了的效率,此類電機正在許多現(xiàn)有的應用中取代有刷電機。汽車就是個好例子。

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、可靠且高效。同樣重要的是，還要減少廢氣排放及降低燃料消耗。需能驅動多種電機這樣一個驅動理念，加之對效率、系統(tǒng)設計和網(wǎng)絡選項等的極端要求,都對執(zhí)行器電子設計產(chǎn)生重大影響。

無刷直流電機市場

在美國有很多BLDC制造商。許多公司仍然專注于諸如有刷直流電機、步進電機等技術。但是它們中的許多家也都在生產(chǎn)BLDC電機作為新產(chǎn)品開發(fā)的基礎。盡管已有許多BLDC電機制造商,尤其是生產(chǎn)小型BLDC的,但市場上，尚沒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電機整合在一起的廠家尚不容易找到。

采用BLDC電機技術的市場在擴大。諸如燃料或水泵、空調(diào)(采暖通風和空調(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或步進電機技術轉為BLDC電機技術。當然,這不能一般性地證明有刷直流電機或步進電機都將被BLDC電機技術取代。但電機控制電子與電機本身相比，太過昂貴這個主要論點，正一天天失去說服力。此外,BLDC電機的優(yōu)點可以顯著強化其它系統(tǒng)屬性(見表1)。因此,可以預見向智能運動控制這樣一個變革終將到來。

無刷直流電機的優(yōu)勢

與其它電機技術相比，BLDC電機有若干優(yōu)勢,總列在表1。

表1:BLDC 電機優(yōu)勢一覽。


從有刷直流過渡到無刷直流電機的問題?

當審視包括有刷直流電機(BDC)的運動控制系統(tǒng)時,很明顯,其控制不像無刷直流電機那么復雜。簡言之：控制有刷直流電機，只要給個電壓，電機就會運轉。對BLDC電機控制系統(tǒng)缺少經(jīng)驗的工程師經(jīng)常擔心在轉用BLDC電機技術時會有困難,即使他們了解BLDC的優(yōu)勢。復雜的電子系統(tǒng)及需對該系統(tǒng)編程被認為是個障礙。因電子換向導致的較高成本通常被認為是個“奇葩”。

但從BDC過渡到BLDC并非困難重重。采用Micronas的HVC 4223F單片方案，電子電路可以相當簡單。

在下例中給出的方案中,連HVC 4223F在內(nèi)，只需13個器件。例如，如果系統(tǒng)已經(jīng)包含電路板,則對BOM影響不大。在許多情況,由于更高效率，可以選用更小電機。執(zhí)行器也可以更小，從而進一步降低材料成本(電機、外殼、齒輪等)。

此外,可對采用HVC 4223F的BLDC控制系統(tǒng)進行特定編程,使其從外面看與BDC電機無異,也只有VBAT和GND兩個電源連接。因此,可在不改變整個系統(tǒng)設計的前提下，對現(xiàn)有運動控制系統(tǒng)進行升級。另外，長期看，可通過諸如網(wǎng)絡和/或診斷功能等，對系統(tǒng)進行改進?，F(xiàn)有的應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始設計。

用于最大化系統(tǒng)集成和靈活驅動系統(tǒng)的單片架構

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驅動電路以發(fā)揮現(xiàn)代永磁激勵直流電機的性能潛力。HVC 4223F是一款集成的、內(nèi)置所有必要外圍模塊、可直接驅動永磁同步電機/BLDC電機和雙相步進電機的微計算機系統(tǒng)。外圍模塊的編程能力和用戶定義軟件支持針對不同驅動系統(tǒng)的屬性和特征，以實施最優(yōu)適配。

驅動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)、驅動電路的靈活性和所選的驅動方式以及診斷選項。電子的高集成密度要求借助基于特定目標的功率管理對熱工況進行適配。新的HVC系列產(chǎn)品提供的許多功能,可精確地實現(xiàn)這種適配。

根據(jù)不同應用和操作模式調(diào)適電機激勵

汽車執(zhí)行器使用不同驅動的概念要求能輕易地匹適電機功率橋,以及該橋是如何激勵的。HVC 4223F以其可配置的最終輸出級、完全集成和可編程的外圍模塊、及一款強大的Cortex-M3內(nèi)核，完美地解決了這個問題。它集成了6個 n/n半橋(包括充電泵)。通過對輸出管腳進行適當?shù)碾娐愤B接及對軟件進行配置，這些半橋可適用于不同電機類型。

EPWM-Module(增強脈寬調(diào)制)支持針對不同操作模式和類型的電機的被動和主動自由環(huán)(free-wheeling)電流模式(異步/同步整流)(見表2)。集成的電流測量和D/A轉換器允許編程標稱電流值(例如電流控制的微步進)。在沒使用傳感器的PMSM/BLDC電機中,轉子位置反饋信號可通過比較器和集成星點參考發(fā)送,或通過采用霍爾傳感器/編碼器實現(xiàn)。另外,對步進電機來說，可選擇通勤模式(commuted mode)以實現(xiàn)更高轉速。對步進電機進行調(diào)適以滿足不同工作模式(全/半歩、波驅動、微步、通勤)也是可能的或可編程的。

表2:帶新型HVC的電機類型和操作模式概述。


在高速A/D轉換器及電壓和電流可調(diào)測量信號路徑的支持下，Cortex-M3 CPU可快速執(zhí)行速度和電流控制算法。輸出級包括過載保護(過壓/過電流)和診斷功能。用于電機激勵的集成外圍模塊(EPWM、比較器、星點參考、D/A轉換器、診斷和過壓/過流保護、溫度監(jiān)控)可針對表中列出的操作模式進行編程。

帶Cortex-M3 CPU的高效系統(tǒng)

借助軟件，CPU 和閃存允許極高的系統(tǒng)靈活性；例如，支持對轉速和電流控制的實時要求、實現(xiàn)分布式執(zhí)行器系統(tǒng)(例如LIN集群)的通信和診斷功能。HVC 4223F業(yè)已集成了主振蕩器。可對CPU實施降頻以降低功耗且不影響外設模塊的功能。為減少電磁輻射,還包括一個降低EMI的模塊(ERM)?？赏ㄟ^AHB/APB總線系統(tǒng)對所有外圍模塊進行編程并同時對系統(tǒng)要求進行調(diào)適?？蓪⒃\斷和應用數(shù)據(jù)存儲在集成的NVRAM中。

HVC系列產(chǎn)品的工作電源由12V車載電氣系統(tǒng)直接提供并符合ISO 7337測試脈沖規(guī)范。啟停系統(tǒng)由特殊的保留模式支持。與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比,集成開關式穩(wěn)壓器(buck轉換器)降低了功耗。節(jié)能模式支持低功耗,如Kl.30應用。外部負載(如霍爾傳感器)可由可編程高側開關供電。

對分布式小型驅動系統(tǒng)(例如暖通空調(diào)系統(tǒng))的通信來說,HVC集成了LIN-UART和LIN物理層。另外,它還有另一個帶自動尋址功能用于LIN集群的LIN管腳，例如用于暖通空調(diào)閥的應用。上述的系統(tǒng)集成和網(wǎng)絡能力是小型和微型電機進一步小型化和集成化之路上的重要一步。

所用的驅動電路對驅動系統(tǒng)的可靠性具有決定性影響。新HVC的架構包括廣泛的診斷和保護功能，其SPFM大于60%(支持ASIL)。這對按照ISO 26262在系統(tǒng)級的分解很重要；也即,對將安全和防護功能分配給單獨和獨立的系統(tǒng)器件承擔同樣重要，且這種分配可在系統(tǒng)、硬件和軟件層面實施。

高的系統(tǒng)集成度對要求的系統(tǒng)失效時間(FIT)率有積極影響,這是因器件數(shù)量減少了。

靈活診斷的一個好例子是通過軟件實現(xiàn)熱管理。


圖1:無刷直流電機內(nèi)的電子集成。

通過評估電流和溫度,可采取措施以適應操作規(guī)范；例如，CPU降頻、限制電機電流、在電機橋中采用自由環(huán)電流模式等。

新的HVC 4223F采用小巧的6×6mm、40點QFN封裝，充分滿足小型化要求，非常適合將電子功能集成到電機或執(zhí)行器內(nèi)。同時,裸露的觸點(ePAD)保證了良好的熱連接。結溫度可達40℃到+150℃，而集成的過熱監(jiān)控支持在對溫度有很高要求的環(huán)境使用此款產(chǎn)品。

帶BLDC電機驅動器的定位應用實例

用于定位應用的機械執(zhí)行器通常必須提供高扭矩(例如閥門、擋板等)。通常采用齒輪以獲得負載所需的低轉速，這就引入了相當大的摩擦損耗。在許多情況下,執(zhí)行器必須要輸出一個穩(wěn)定的保持轉矩，且執(zhí)行器不能丟失其最后位置以避免需要校準?；诹枯p、體小的要求，電機和電子幾何扮演著重要角色。示例描述了一款單片電機驅動器方案，它采用HVC 4223F在無傳感器、借助LIN通信接口實現(xiàn)六步通勤的環(huán)境下，驅動BLDC電機。圖2顯示的是閥門驅動器的原理系統(tǒng)，它集成了基于HVC 4223F單片方案的完整電子功能。

表3:HVC 4223F所用的外圍功能概述


軟硬件交互和電路方案

運動控制系統(tǒng)內(nèi)，硬件和軟件間的高效協(xié)同工作，取決于可用芯片外設的特定功能分布。表3對圖2所示的無傳感器、六步通勤、包括rpm和電流控制、帶診斷和通信棧功能這樣一個系統(tǒng)，總結了一種可能的方法。軟件架構可以采用簡單的輪詢中斷。


圖2:帶BLDC電機的示例系統(tǒng)。

圖3所示是該系統(tǒng)的一個基本電路方案。電機的外部組件數(shù)量可被減少到最少12個(參見圖3中的表)。在有特殊的系統(tǒng)ESD和/或EMC要求情況下,可能需要另外器件,如用于直流供電回路或信號通路的鐵氧體磁珠等。


圖3:原理電路方案。

結論

因為電子產(chǎn)品成本的下降，采用BLDC電機技術的小型電機驅動方案的數(shù)量將增長。Micronas的高度集成的單片HVC 4223F方案是這一趨勢的推手。

電機的種類將增加、功能會提升,包括智能驅動器之間的聯(lián)網(wǎng)。此外,必須滿足對量輕、體小、更高功率密度、更低成本的要求。所用的電機需要小巧、輕便并能用于分布式LIN總線網(wǎng)絡。

因可采用單片方案開發(fā)微小電機的完整平臺，所以可縮短設計時間。通過調(diào)整軟件，可針對不同的電機類型和屬性。當今的有刷直流電機方案可以一對一地直接更換為無刷直流電機系統(tǒng)；在外面,BLDC電機看起來與傳統(tǒng)電機無異，但內(nèi)部卻提供智能運動控制所需的所有優(yōu)勢。

自我診斷和功能安全發(fā)揮著越來越重要的作用。借助電子實現(xiàn)的整合了智能的驅動器可以提供該診斷功能。電機的屬性可能會與時俱進，可以跟蹤這些影響并將其存儲在電子電路中，并在一定程度上進行調(diào)整。

對軟件進行調(diào)適可滿足大量的功能和應用需求?？蛻艨山柚鷨我豢刂破饔行У嘏渲靡粋€完整平臺。很少的分立器件和高集成度實現(xiàn)了高度小型化，且支持實現(xiàn)具有現(xiàn)代種類電機優(yōu)點和好處的經(jīng)濟方案。硬件和軟件的高度可重用性支持快速響應客戶需求的變化。