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若何经济有用地将你的应用过渡到无刷直流电机

宣布时间:2016年05月06日 15:05    宣布者:看门狗
要害词: 无刷 , 直流电机
作者: Adriano De Rosa,Micronas GmbH公司IC设计师

半导体集成的种种选项为基于同步电机的漫衍式智能小型驱动妄图催生出日趋富厚的应用。它们网罗无刷直流电机(BLDC)、永磁同步电机(PMSM)和步进电机。因其手艺优势和前进了的效力,此类电机正在许多现有的应用中取代有刷电机。汽车就是个好例子。

尺度汽车零部件必须具有以下特点:低系统资源、小巧、轻盈、可靠且高效。异常主要的是,还要增添废气排放及降低燃料消耗。需能驱动多种电机这样一个驱动理念,加上对效力、系统设计和群集选项等的极端请求,都对推行器电子设计发生严严重年夜影响。

无刷直流电机市场

在美国有许多BLDC制造商。许多公司依然专注于诸若有刷直流电机、步进电机等手艺。然则它们中的许多家也都在临盆BLDC电机作为新产物开发的基础。虽然已有许多BLDC电机制造商,特殊是临盆小型BLDC的,但市场上,尚没有许多集成控制电子妄图。有才干能低资边疆将智能电子与BLDC电机整合在一起的厂家尚不容易找到。

接纳BLDC电机手艺的市场在扩年夜。诸如燃料或水泵、空调(采暖透风和空调)、曲面光、年夜灯调平及许多其它汽车功效,正在从有刷直流电机或步进电机手艺转为BLDC电机手艺。虽然,这不克不及浅易性地证实有刷直流电机或步进电机都将被BLDC电机手艺取代。但电机控制电子与电机自己相比,太过昂贵这个主要论点,正一天天掉落去胜过力。此外,BLDC电机的优点可以显着强化其它系统属性(见表1)。是以,可以预感向智能运动控制这样一个厘革终将到来。

无刷直流电机的优势

与其它电机手艺相比,BLDC电机有若干优势,总列在表1。

表1:BLDC 电机优势一览。
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从有刷直流过渡到无刷直流电机的效果?

当核阅网罗有刷直流电机(BDC)的运动控制系统时,很显着,其控制不像无刷直流电机那么严重年夜。简言之:控制有刷直流电机,只需给个电压,电机就会运转。对BLDC电机控制系统缺乏履历的工程师经常担忧在转用BLDC电机手艺时会有艰辛,纵然他们明确BLDC的优势。严重年夜的电子系统及需对该系统编程被以为是个误差。因电子换领招致的较高资源通常被以为是个“奇葩”。

但从BDC过渡到BLDC着实不是艰辛重重。接纳Micronas的HVC 4223F单片妄图,电子电路可以相当质朴。

不才例中给出的妄图中,连HVC 4223F在内,只需13个器件。例如,假定系统曾经网罗电路板,则对BOM影响不年夜。在许多情形,由于更高效力,可以选用更小电机。推行器也能够或许更小,从而进一步降低质料资源(电机、外壳、齿轮等)。

此外,可对接纳HVC 4223F的BLDC控制系统阻拦特定编程,使其从外面看与BDC电机无异,也只需VBAT和GND两个电源毗连。是以,可在不改变所有系统设计的条件下,对现有运动控制系统阻拦升级。另外,耐久看,可经由历程诸如群集和/或诊断功效等,对系统阻拦刷新。现有的应用条记与演示软件可供应足够用的功效,以是客户不须要重新泉源设计。

用于最年夜化系统集成和无邪驱动系统的单片架构

Micronas的新型高压控制器(HVC)能支持系统具有高度集成的电机驱动电路以施展现代永磁勉励直流电机的性能潜力。HVC 4223F是一款集成的、内置所有须要焦点模块、可直接驱动永磁同步电机/BLDC电机和双相步进电机的微盘算机系统。焦点模块的编程才干和用户界说软件支持针对不合驱动系统的属性和特点,以实验最优适配。

驱动妄图集成度的赓续增添,使PMSM/BLDC的低功率/重量比(W/kg)成为能够,并影响功耗(功率/热治理)、驱动电路的无邪性和所选的驱动要领和诊断选项。电子的高集成密度请求借助基于特定目的的功率治理对热工况阻拦适配。新的HVC系列产物供应的许多功效,可准确地完成这类适配。

凭证不合应用和操作形式调适电机勉励

汽车推行器应用不合驱动的看法请求能随便忽略地匹适电机功率桥,和该桥是若何勉励的。HVC 4223F以其可装备的事实输入级、完选集成和可编程的焦点模块、及一款强年夜的Cortex-M3内核,完善地处置赏罚赏罚了这个效果。它集成了6个 n/n半桥(网罗充电泵)。经由历程对输入管脚阻拦适当的电路毗连及对软件阻拦装备,这些半桥可适用于不合电机类型。

EPWM-Module(增强脉宽调制)支持针对不合操作形式和类型的电机的自动和自动自在环(free-wheeling)电流形式(异步/同步整流)(见表2)。集成的电流丈量和D/A转换器允许编程标称电流值(例如电流控制的微步进)。在没应用传感器的PMSM/BLDC电机中,转子职位反映旌旗暗记可经由历程较量器和集成星点参考发送,或经由历程接纳霍尔传感器/编码器完成。另外,对步进电机来讲,可选择通勤形式(commuted mode)以完成更高转速。对步进电机阻拦调适以知足不合使命形式(全/半歩、波驱动、微步、通勤)也是能够的或可编程的。

表2:带新型HVC的电机类型和操作形式概述。
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在高速A/D转换器及电压和电流可调丈量旌旗暗记蹊径的支持下,Cortex-M3 CPU可快速推行速率和电流控制算法。输入级网罗过载掩护(过压/过电流)和诊断功效。用于电机勉励的集成焦点模块(EPWM、较量器、星点参考、D/A转换器、诊断和过压/过流掩护、温度监控)可针对表中列出的操作形式阻拦编程。

带Cortex-M3 CPU的高效系统

借助软件,CPU 和闪存允许极高的系统无邪性;例如,支持对转速和电流控制的实时请求、完身漫衍式推行器系统(例如LIN集群)的通讯和诊断功效。HVC 4223F业已集成了主振荡器。可对CPU实验降频以降低功耗且不影响外设模块的功效。为增添电磁辐射,还网罗一个降低EMI的模块(ERM)。可经由历程AHB/APB总线系统对所有焦点模块阻拦编程并同时对系统请求阻拦调适。可将诊断和应用数据存储在集成的NVRAM中。

HVC系列产物的使命电源由12V车载电气系统直接供应并切合ISO 7337测试脉冲尺度。启停系统由特另外生涯形式支持。与传统的线性稳压器相比,集成开关式稳压器(buck转换器)降低了功耗。节能形式支持低功耗,如Kl.30应用。外部负载(如霍尔传感器)可由可编程高侧开关供电。

对漫衍式小型驱动系统(例如暖通空调系统)的通讯来讲,HVC集成了LIN-UART和LIN物理层。另外,它尚有此外一个带自动寻址功效用于LIN集群的LIN管脚,例如用于暖通空调阀的应用。上述的系统集成和群集才干是小型和微型电机进一步小型化和集成化之路上的主要一步。

所用的驱动电路对驱动系统的可靠性具有决议性影响。新HVC的架构网罗普遍的诊断和掩护功效,其SPFM年夜于60%(支持ASIL)。这对凭证ISO 26262在系统级的分化很主要;也即,对将安然和防护功效分配给伶仃和自力的系统器件承当异常主要,且这类分配可在系统、硬件和软件层面实验。

高的系统集成度对请求的系统掉落效时间(FIT)率有起劲影响,这是因器件数目增添了。

无邪诊断的一个好例子是经由历程软件完成热治理。

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图1:无刷直流电机内的电子集成。

经由历程评价电流和温度,可接纳措施以顺应操作尺度;例如,CPU降频、限制电机电流、在电机桥中接纳自在环电流形式等。

新的HVC 4223F接纳小巧的6×6mm、40点QFN封装,充实知足小型化请求,异常合适将电子功效集成到电机或推行器内。同时,裸露的触点(ePAD)保证了优胜的热毗连。结温度可达40℃到+150℃,而集成的过热监控支持在对温度有很高请求的情形应用此款产物。

带BLDC电机驱动器的定位应用实例

用于定位应用的机械推行器通常必须供应高扭矩(例如阀门、挡板等)。通常接纳齿轮以取得负载所需的低转速,这就引入了相昔时夜的磨擦消耗。在许多情形下,推行器必须要输入一个稳固的保持转矩,且推行器不克不及损掉落其最后职位以防止须要校准。基于量轻、体小的请求,电机和电子几何饰演偏主要角色。示例形貌了一款单片电机驱动器妄图,它接纳HVC 4223F在无传感器、借助LIN通讯接口实现六步通勤的情形下,驱动BLDC电机。图2显示的是阀门驱动器的原理系统,它集成了基于HVC 4223F单片妄图的完全电子功效。

表3:HVC 4223F所用的焦点功效概述
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软硬件交互和电路妄图

运动控制系统内,硬件和软件间的高效协同使命,取决于可用芯片外设的特定功效漫衍。表3对图2所示的无传感器、六步通勤、网罗rpm和电流控制、带诊断和通讯栈功效这样一个系统,总结了一种能够的措施。软件架构可以接纳质朴的轮询中止。

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图2:带BLDC电机的示例系统。

图3所示是该系统的一个基本电路妄图。电机的外部组件数目可被增添到最少12个(参见图3中的表)。在有特另外系统ESD和/或EMC请讨情形下,能够须要另外器件,如用于直流供电回路或旌旗暗记通路的铁氧体磁珠等。

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图3:原理电路妄图。

结论

由于电子产物资源的降低,接纳BLDC电机手艺的小型电机驱动妄图的数目将增添。Micronas的高度集成的单片HVC 4223F妄图是这一趋势的推手。

电机的种类将增添、功效会提升,网罗智能驱动器之间的联网。此外,必须知足对量轻、体小、更高功率密度、更低资源的请求。所用的电机须要小巧、轻盈并能用于漫衍式LIN总线群集。

因可接纳单片妄图开发眇小电机的完全平台,以是可延伸设计时间。经由历程调剂软件,可针对不合的电机类型和属性。当今的有刷直流电机妄图可以一对一地直接替换为无刷直流电机系统;在外面,BLDC电机看起来与传统电机无异,但外部却供应智能运动控制所需的所有优势。

自我诊断和功效安然施展着愈来愈主要的作用。借助电子完成的整合了智能的驱动器可以供应该诊断功效。电机的属性能够会与时俱进,可以跟踪这些影响并将其存储在电子电路中,并在一定水平长阻拦调剂。

对软件阻拦调适可知足年夜量的功效和应用需求。客户可借助单一控制器有用地装备一个完全平台。很少的分立器件和高集成度完成了高度小型化,且支持完成具有现代种类电机优点和利益的经济妄图。硬件和软件的高度可重用性支持快速照主顾户需求的变换。
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