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使用無刷直流電機加速設計周期的3種方法
發(fā)布時間：2024-03-05 14:38:27 瀏覽：482次
全球都在致力降低功耗，且勢頭愈來愈烈。許多國家/地區(qū)都要求家用電器（如圖 1 所示）滿足相關組織（如中國標準化研究院 (CNIS)、美國能源之星和德國藍天使）制定的效率標準。為了滿足這些標準，越來越多的系統(tǒng)設計人員在設計中放棄了簡單且易用的單相交流感應電機，轉而采用更節(jié)能的低壓無刷直流 (BLDC) 電機。為了實現更長的使用壽命和更低的運行噪音，掃地機器人等小型家電的設計人員也轉而在他們的許多系統(tǒng)中使用更先進的 BLDC 電機。同時，永磁技術的進步正不斷簡化 BLDC 電機的制造，在提供相同扭矩（負載）的同時減小系統(tǒng)尺寸，還可以提高效率和降低系統(tǒng)噪音。
圖 1：常見家用電器
設計使用 BLDC 電機的系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性，因為通常需要復雜的硬件和優(yōu)化的軟件設計來提供可靠的實時控制。加快設計周期的一種選擇是采用專業(yè)供應商提供的 BLDC 電機模塊，但這些模塊并未針對特定系統(tǒng)的需求進行優(yōu)化。因此，為了構建優(yōu)化的高性能系統(tǒng)來滿足特定應用需求，仍然需要深入了解電機設計和控制，即便使用模塊也是如此。在本文中，我將介紹三種方法，這些方法在加快 BLDC 電機系統(tǒng)設計的同時，還可以提供更為智能小巧的節(jié)能解決方案。
方法一：無需編程無傳感器控制
無需編程的電機驅動器包括內置的控制換向算法，因此無需進行電機控制軟件的開發(fā)、維護和認證。這些電機驅動器通常從電機獲取反饋（例如霍爾信號或電機相位電壓和電流信號），實時計算復雜的控制方程以確定下一個電機驅動狀態(tài)，并為柵極驅動器或金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 等模擬前端組件提供脈寬調制信號（如圖 2所示）。
圖 2：典型的無傳感器 BLDC 電機系統(tǒng)
使用集成了無傳感器控制功能的電機驅動器（例如具有磁場定向控制 (FOC) 功能的 MCF8316A 電機驅動器）進行實時控制時，電機中無需霍爾效應傳感器，因此可以提高系統(tǒng)可靠性并降低系統(tǒng)總成本。無需編程的電機驅動器還可以管理重要功能（如電機故障檢測），并實施保護機制，使整個系統(tǒng)設計更加可靠。這些器件可以附帶美國保險商實驗室等認證機構實現的預認證控制算法，使原始設備制造商能夠縮短其家用電器的設計時間。
方法二：使用智能電機控制功能輕松調諧電機
系統(tǒng)性能參數要求（如速度、效率和噪聲）很難通過調諧 BLDC 電機來解決。該問題可通過開發(fā)一種無傳感器梯形控制算法來解決，其中，換向由電機的反電動勢電壓決定，使調整操作不受電機參數限制。集成了無傳感器梯形控制功能的集成電機驅動器（例如 MCT8316A）可以提供優(yōu)化的系統(tǒng)性能，而無需使用復雜的接口連接微控制器。此外，請注意，在電機調諧過程中，集成電機驅動器會提供反饋信號，例如示波器上顯示的電機相電壓、電流和電機轉速。
在無傳感器 FOC 算法中，由于集成了先進控制技術，因此可以顯著加快電機調諧，例如，通過自行測量電機參數或自動執(zhí)行控制環(huán)路的調諧等方式加快速度。引導式調諧圖形用戶界面 (GUI) 提供默認的電機啟動選項（如圖 3 所示），有助于順利完成調諧過程并盡快使電機旋轉起來。無需編程的電機驅動器（例如用于 FOC 的 MCF8316A 和用于梯形控制的 MCT8316A）包括用于電機啟動以及閉環(huán)和電機停止操作的多個可配置選項。借助這些選項，在幾分鐘內就能優(yōu)化電機性能，顯著縮短了設計周期。
圖 3：引導式調諧 GUI
第 三 種方法：減小尺寸
對許多系統(tǒng)設計人員來說，BLDC 系統(tǒng)硬件構建工作都很吃力。一個典型的系統(tǒng)需要柵極驅動器、MOSFET、電流感應放大器、電壓感應比較器和模數轉換器。大多數系統(tǒng)需要專用的電源架構（包括低壓降穩(wěn)壓器或直流/直流降壓穩(wěn)壓器等器件）為板上的所有組件供電。集成的 BLDC 驅動器結合了所有這些組件，提供了一個緊湊但易于使用的解決方案，如圖 4 所示。
圖 4：完全集成的 BLDC 電機解決方案
具有集成控制功能的電機驅動器包含保護功能，例如針對 MOSFET 的過流和過壓保護以及溫度監(jiān)測，使設計人員能夠輕松提供強大的解決方案。對于功耗小于 70W 的電機應用，例如掃地機器人、家用吊扇或者是洗衣機中使用的泵，可以選擇具有集成 MOSFET 的器件來進一步減小布板空間。MCF8316A 和 MCT8316A 器件在 24V 應用中支持高達 8A 的峰值電流。對于大功率應用，可以將功率 MOSFET 放置在板上，使柵極驅動器和電機控制功能集成到單塊芯片中。
本文中討論的概念有助于加快系統(tǒng)設計周期，同時提供更為小巧、智能的 BLDC 電機系統(tǒng)。借助于 MCF8316A 和 MCT8316A 等無需編程無傳感器的 BLDC 電機驅動器，可以快速設計出優(yōu)化的高性能實時控制系統(tǒng)。這些器件可以為 24V 應用提供高達 70W 的功率。憑借集成的智能控制技術，這兩款電機驅動器都很容易調諧，可用于實現高性能和可靠的系統(tǒng)解決方案，是構建下一個基于 BLDC 的低電壓節(jié)能型系統(tǒng)時的理想選擇。
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德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球化的半導體公司，致力于設計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產品、通信設備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產品更經濟實用，創(chuàng)造一個更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎之上，使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠，從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用，這就是工程的進步。這正是我們數十年來乃至現在一直在做的事。
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