半導體技術(shù)可保持有刷電機的簡單性

　　想不到，有刷電機和白熾燈有許多共同點：都于19世紀發(fā)明和優(yōu)化，其易用性使它們在20世紀我們的日常生活中隨處可見，它們同樣都受到21世紀重視能效的法規(guī)的影響。現(xiàn)時白熾燈已大部分消失了，但更高能效的無刷電機仍只是緩慢的替代有刷電機。這一部分是因為成本的原因，也因為實施無刷電機系統(tǒng)時仍有顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)。半導體技術(shù)促使便宜但能效低的白熾燈消失，同樣也可能使有刷電機走向同樣的結(jié)局。

　　電機到處都是，但不像燈泡，它們不是那么明顯。當有無生命的物理在移動時，很可能是由一個電機驅(qū)動。這些電機驅(qū)動我們家里的冰箱、洗碗機和洗衣機。它們開門、運行手扶電梯、垂直電梯和火車送我們?nèi)スぷ?。在我們工作時它們煮咖啡、冷卻電腦和運行空調(diào)。在現(xiàn)代汽車中，采用20至50個電機為調(diào)節(jié)車鏡、前大燈和座椅、燃油泵、水泵和擋風玻璃液、以及輔助制動和轉(zhuǎn)向等多種不同的功能提供動力。將來，電機甚至會負責讓汽車自己移動。

　　在過去一個世紀，這些應(yīng)用選擇的電機大多是有刷電機，因為它非常易于使用。像燈泡，只要通電就工作 – 反向電壓通過終端，電機將反轉(zhuǎn)方向。改變電壓，速度就變化。這簡單性可能因為電機內(nèi)的機械式開關(guān)（換向器）使它旋轉(zhuǎn)。換向器由旋轉(zhuǎn)銅滑環(huán)和滑動接頭（稱為電刷）組成，旋轉(zhuǎn)銅滑環(huán)連接到旋轉(zhuǎn)電機線圈，滑動接頭令電流從固定電機外殼流向滑環(huán)。當電機線圈組件旋轉(zhuǎn)，線圈端子滑過電刷，指示電流流過線圈，以這樣一種方式保持旋轉(zhuǎn)。

　　圖1：有刷電機原理圖

　　雖然換向器使有刷電機易于使用，但它也是問題的主要來源。換向器易受機械磨損，限制了電機的使用壽命。電刷磨損產(chǎn)生灰塵，降低電機性能。此外，當電機電流沿滑環(huán)在線圈間流動，產(chǎn)生電弧。這樣的刷電弧產(chǎn)生臭氧，及造成噪聲和電子輻射，可能干擾電氣設(shè)備如電話、無線電和無線通信網(wǎng)絡(luò)。在有灰塵或可燃環(huán)境中，刷弧可能非常危險，因為它可引發(fā)火災(zāi)甚至引起爆炸。換向器采用機械式電刷，也限制了電機高達70%的電能效；而無刷電機可實現(xiàn)高達90%的能效（如Nicola Tesla早在19世紀末顯示）。如果無刷電機比有刷電機更高能效、更可靠和更環(huán)保，為什么當今有刷電機仍然如此普遍？

　　就像白熾燈和LED燈，以一些更復(fù)雜和昂貴的東西取代一些便宜和簡單的東西，通常需要最初來自政府的強大壓力，直到大規(guī)模生產(chǎn)把價格降下來。國際能效標準（如北美的能源之星和歐盟的生態(tài)設(shè)計）強制企業(yè)去遵守。此外，消費者越來越關(guān)注環(huán)境和節(jié)能，現(xiàn)在更愿意在節(jié)能產(chǎn)品花錢，或者是出于良心的原因，又或者是為減少電費帳單。因此，能效除了作為純粹的法規(guī)要求，也被視為工程師將他們的產(chǎn)品與競爭對手區(qū)分開來的一種途徑。同樣，在汽車領(lǐng)域，汽車制造商已被要求通過不斷收緊的二氧化碳排放標準提升燃油經(jīng)濟性。這可以許多創(chuàng)造性的方式實現(xiàn)，但一個可持續(xù)的方法是驅(qū)動傳統(tǒng)上連接到發(fā)動機及電機的系統(tǒng)。后者可更好地針對手頭任務(wù)進行優(yōu)化，只在必要時運行。一個很好的例子是動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它必須在停車時以空轉(zhuǎn)發(fā)動機提供最大的轉(zhuǎn)向支持。當動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍連接到發(fā)動機，它耗費大量的動力在總線，這時轉(zhuǎn)向最小，因此，汽車中的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為第一個使用無刷電機的應(yīng)用。隨著法規(guī)的日益嚴苛，無刷電機正被設(shè)計到液壓泵中提供制動支持、發(fā)動機冷卻風扇、燃油泵、油/水泵等等。

　　雖然以無刷電機取代傳統(tǒng)的有刷電機是提高能效和可靠性，同時消除噪聲和污染的快速路經(jīng)，但無刷電機的實施對工程師是一重大挑戰(zhàn)。以前必須由換向器機械式完成的工作現(xiàn)在使用三相逆變器電氣化完成。逆變器需要一個門極驅(qū)動器，它通常由一個微控制器實施復(fù)雜的電機控制算法來控制。因此，開發(fā)這些應(yīng)用的工程師不僅需要勝任硬件設(shè)計及微控制器編程，還需要深入了解電機物理學來設(shè)計最大的能效到系統(tǒng)中。有刷電機應(yīng)用設(shè)計人員通常沒有這些技能，所以他們不愿意使用無刷電機。

　　這些工程師需要的是現(xiàn)成的方案，不需要深入設(shè)計和編程專知就能讓無刷電機運行。目的是使無刷電機應(yīng)用開發(fā)就像有刷電機開發(fā)一樣簡單，以至應(yīng)用工程師可專注于他們的專長到應(yīng)用上，而不是如何使電機轉(zhuǎn)動。類似于LED燈取代白熾燈，半導體行業(yè)可支持轉(zhuǎn)向使用無刷電機部署，通過為客戶解決電機控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。有利的是，有一些公司正開始應(yīng)對挑戰(zhàn)。

　　有個例子是安森美半導體，已用其用于立體聲設(shè)備、磁盤驅(qū)動和冷卻風扇的“易于使用”的電機驅(qū)動器經(jīng)驗，集中在工業(yè)和汽車用無刷電機的開發(fā)。特別地，公司推出高度集成的LV8907電機驅(qū)動IC，使無刷電機像有刷電機一樣易于使用，無需任何軟件開發(fā)。LV8907可用于12 V工業(yè)和消費電子應(yīng)用，而且兼容汽車要求，只需6個功率開關(guān)和幾個分立電阻和電容。該IC負責啟動，無需傳感器換向和運行無刷電機所需的各種安全特性。在電機和應(yīng)用相關(guān)參數(shù)通過SPI接口上傳后，控制電機速度所必需的是一個脈寬調(diào)制信號（PWM）-就像有刷電機應(yīng)用一樣。所有相關(guān)參數(shù)可存儲在該器件的嵌入式非易失性（OTP）存儲器中，并將在應(yīng)用的生命周期內(nèi)保持固定。

　　雖然可使用一個開關(guān)用于固定速度模式，但LV8907的內(nèi)置P-I速度控制回路結(jié)合PWM輸入，支持在不同電源電壓和負載條件下電機速度的精確調(diào)控。得益于該器件集成的保護功能，可保護應(yīng)用免受過流、過壓和過溫及其它故障條件的損害。在堵轉(zhuǎn)的情況下，LV8907將停止驅(qū)動電機，并在設(shè)置間隔后再重啟。

　　總之，從有刷向無刷電機的過渡已在進行，出于能效的原因，和日益嚴格的政府法規(guī)正加速這開發(fā)。然而，由于這過渡涉及顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)，他們?nèi)源嬖谡系K來增加無刷電機應(yīng)用的范圍。通過引入無刷電機智能電機控制方案，半導體行業(yè)正提供越來越多的產(chǎn)品，消除這些障礙。因此，無刷電機，像LED燈，可能隨著21世紀引進新技術(shù)來應(yīng)對環(huán)境的挑戰(zhàn)而越來越普遍。也許很快，有刷電機就像白熾燈一樣成為歷史。