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(lèi)電機(jī)正在許多現(xiàn)有的應(yīng)用中取代有刷電機(jī)。汽車(chē)就是個(gè)好例子。

典型汽車(chē)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?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)等的極端要求,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(zhuān)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(chē)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,由于更高效率，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)。

用于最大化系統(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)施最優(yōu)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,可精確地實(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(chē)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以其可配置的最終輸出級(jí)、完全集成和可編程的外圍模塊、及一款強(qiáng)大的Cortex-M3內(nèi)核，完美地解決了這個(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(lèi)型。

EPWM-Module(增強(qiáng)脈寬調(diào)制)支持針對(duì)不同操作模式和類(lèi)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(chēng)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。

表2:帶新型HVC的電機(jī)類(lèi)型和操作模式概述。


在高速A/D轉(zhuǎn)換器及電壓和電流可調(diào)測(cè)量信號(hào)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(jí)包括過(guò)載保護(hù)(過(guò)壓/過(guò)電流)和診斷功能。用于電機(jī)激勵(lì)的集成外圍模塊(EPWM、比較器、星點(diǎn)參考、D/A轉(zhuǎn)換器、診斷和過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)、溫度監(jiān)控)可針對(duì)表中列出的操作模式進(jìn)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(duì)轉(zhuǎn)速和電流控制的實(shí)時(shí)要求、實(shí)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?？蓪?duì)CPU實(shí)施降頻以降低功耗且不影響外設(shè)模塊的功能。為減少電磁輻射,還包括一個(gè)降低EMI的模塊(ERM)?？赏ㄟ^(guò)AHB/APB總線系統(tǒng)對(duì)所有外圍模塊進(jìn)行編程并同時(shí)對(duì)系統(tǒng)要求進(jìn)行調(diào)適?？蓪⒃\斷和應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在集成的NVRAM中。

HVC系列產(chǎn)品的工作電源由12V車(chē)載電氣系統(tǒng)直接提供并符合ISO 7337測(cè)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(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器(buck轉(zhuǎn)換器)降低了功耗。節(jié)能模式支持低功耗,如Kl.30應(yīng)用。外部負(fù)載(如霍爾傳感器)可由可編程高側(cè)開(kāi)關(guān)供電。

對(duì)分布式小型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(例如暖通空調(diào)系統(tǒng))的通信來(lái)說(shuō),HVC集成了LIN-UART和LIN物理層。另外,它還有另一個(gè)帶自動(dòng)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(yīng)用。上述的系統(tǒng)集成和網(wǎng)絡(luò)能力是小型和微型電機(jī)進(jìn)一步小型化和集成化之路上的重要一步。

所用的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性具有決定性影響。新HVC的架構(gòu)包括廣泛的診斷和保護(hù)功能，其SPFM大于60%(支持ASIL)。這對(duì)按照ISO 26262在系統(tǒng)級(jí)的分解很重要；也即,對(duì)將安全和防護(hù)功能分配給單獨(dú)和獨(dú)立的系統(tǒng)器件承擔(dān)同樣重要，且這種分配可在系統(tǒng)、硬件和軟件層面實(shí)施。

高的系統(tǒng)集成度對(duì)要求的系統(tǒng)失效時(shí)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(gè)好例子是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)熱管理。


圖1:無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)的電子集成。

通過(guò)評(píng)估電流和溫度,可采取措施以適應(yīng)操作規(guī)范；例如，CPU降頻、限制電機(jī)電流、在電機(jī)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(diǎn)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(jī)或執(zhí)行器內(nèi)。同時(shí),裸露的觸點(diǎn)(ePAD)保證了良好的熱連接。結(jié)溫度可達(dá)40℃到+150℃，而集成的過(guò)熱監(jiān)控支持在對(duì)溫度有很高要求的環(huán)境使用此款產(chǎn)品。

帶BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的定位應(yīng)用實(shí)例

用于定位應(yīng)用的機(jī)械執(zhí)行器通常必須提供高扭矩(例如閥門(mén)、擋板等)。通常采用齒輪以獲得負(fù)載所需的低轉(zhuǎn)速，這就引入了相當(dāng)大的摩擦損耗。在許多情況下,執(zhí)行器必須要輸出一個(gè)穩(wěn)定的保持轉(zhuǎn)矩，且執(zhí)行器不能丟失其最后位置以避免需要校準(zhǔn)?；诹枯p、體小的要求，電機(jī)和電子幾何扮演著重要角色。示例描述了一款單片電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案，它采用HVC 4223F在無(wú)傳感器、借助LIN通信接口實(shí)現(xiàn)六步通勤的環(huán)境下，驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)。圖2顯示的是閥門(mén)驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shè)的特定功能分布。表3對(duì)圖2所示的無(wú)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(gè)系統(tǒng)，總結(jié)了一種可能的方法。軟件架構(gòu)可以采用簡(jiǎn)單的輪詢中斷。


圖2:帶BLDC電機(jī)的示例系統(tǒng)。

圖3所示是該系統(tǒng)的一個(gè)基本電路方案。電機(jī)的外部組件數(shù)量可被減少到最少12個(gè)(參見(jiàn)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(hào)通路的鐵氧體磁珠等。


圖3:原理電路方案。

結(jié)論

因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品成本的下降，采用BLDC電機(jī)技術(shù)的小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的數(shù)量將增長(zhǎng)。Micronas的高度集成的單片HVC 4223F方案是這一趨勢(shì)的推手。

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

因可采用單片方案開(kāi)發(fā)微小電機(jī)的完整平臺(tái)，所以可縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。通過(guò)調(diào)整軟件，可針對(duì)不同的電機(jī)類(lèi)型和屬性。當(dāng)今的有刷直流電機(jī)方案可以一對(duì)一地直接更換為無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)；在外面,BLDC電機(jī)看起來(lái)與傳統(tǒng)電機(jī)無(wú)異，但內(nèi)部卻提供智能運(yùn)動(dòng)控制所需的所有優(yōu)勢(shì)。

自我診斷和功能安全發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。借助電子實(shí)現(xiàn)的整合了智能的驅(qū)動(dòng)器可以提供該診斷功能。電機(jī)的屬性可能會(huì)與時(shí)俱進(jìn)，可以跟蹤這些影響并將其存儲(chǔ)在電子電路中，并在一定程度上進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)適可滿足大量的功能和應(yīng)用需求?？蛻艨山柚鷨我豢刂破饔行У嘏渲靡粋€(gè)完整平臺(tái)。很少的分立器件和高集成度實(shí)現(xiàn)了高度小型化，且支持實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)代種類(lèi)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)和好處的經(jīng)濟(jì)方案。硬件和軟件的高度可重用性支持快速響應(yīng)客戶需求的變化。