BLDC直流無刷電機(jī)FOC控制技術(shù)解決方案
發(fā)布日期:2023-02-08
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從能耗角度來看，消費(fèi)類電子產(chǎn)品和工業(yè)設(shè)備從傳統(tǒng)的 AC 馬達(dá)過渡到體積更小、更為高效的 BLDC 電機(jī)具有重大意義，但設(shè)計(jì) BLDC 控制算法的復(fù)雜性阻止了工程師們實(shí)現(xiàn)這種過渡的積極性。
從手機(jī)中的小型振動馬達(dá)到家用洗衣機(jī)和空調(diào)中使用的更復(fù)雜的馬達(dá)，馬達(dá)已成為消費(fèi)領(lǐng)域中的日常裝置。馬達(dá)同樣也是工業(yè)領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分，在很多應(yīng)用中廣泛運(yùn)用，如驅(qū)動風(fēng)扇、泵等各種機(jī)械設(shè)備。這些馬達(dá)的能量消耗是非常巨大的：研究表明，僅在中國，馬達(dá)所消耗的能源占工業(yè)總能耗的 60% 至 70%，其中風(fēng)扇和泵所消耗的能源占中國整體功耗的近四分之一。盡管這個(gè)數(shù)字在其他國家可能沒那么高，但降低電子系統(tǒng)中的馬達(dá)能耗已在全球成為必須優(yōu)先考慮的議題。
一個(gè)多世紀(jì)以來，傳統(tǒng)的交流 (AC) 馬達(dá)已被廣泛使用。交流馬達(dá)是設(shè)計(jì)最簡單的感應(yīng)馬達(dá)，但他們卻造成了大量能源的浪費(fèi)。這是因?yàn)榻涣黢R達(dá)只輸出恒定速度，不能隨工作條件的變化進(jìn)行自適應(yīng)。現(xiàn)在已有一些調(diào)節(jié)交流馬達(dá)速度的簡單方法(例如，可以提供三種速度選擇的標(biāo)準(zhǔn)家用風(fēng)扇)，但這些方法的應(yīng)用范圍有限，而且難以轉(zhuǎn)移到更為復(fù)雜的系統(tǒng)。
但對于直流 (DC) 馬達(dá)，可以通過改變電壓來改變和控制速度，從而根據(jù)應(yīng)用需要來加快或減慢工作速度。這可以節(jié)省大量的能源，因?yàn)轳R達(dá)可以根據(jù)需要的條件來運(yùn)行。在一般情況下，DC 馬達(dá)比 AC 馬達(dá)更有效率。
圖一 ： 用更小、更高效的 BLDC 馬達(dá)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 AC 馬達(dá)可以節(jié)約能源并降低成本，但 BLDC 控制所需的演算法非常復(fù)雜，以至於很多設(shè)計(jì)師都不愿進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為 BLDC 馬達(dá)控制而專門設(shè)計(jì)的專用 IC 可以令這項(xiàng)工作變得更為容易。
BLDC馬達(dá)的優(yōu)勢
DC 馬達(dá)可被設(shè)計(jì)為有刷馬達(dá)或無刷馬達(dá)。無刷直流 (BLDC) 馬達(dá)通常是大多數(shù)應(yīng)用的最佳選擇。這種馬達(dá)更可靠、更安靜，產(chǎn)生的電磁輻射更少，并且更為安全，因?yàn)樗鼈兿擞捎陔娝⒑蛽Q向器而產(chǎn)生的火花。BLDC 馬達(dá)體積更小、效率更高，這意味著它們需要使用更少的能源。
BLDC 馬達(dá)的運(yùn)行溫度低于 AC 馬達(dá)，更為高效的設(shè)計(jì)使得其內(nèi)部零件產(chǎn)生的熱量更少。 這不僅能夠增加軸承系統(tǒng)的使用壽命，還能夠提高電氣系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)的可靠性。
此外，BLDC 馬達(dá)的功率密度也高于 AC 馬達(dá)。對于相同的能量輸出，DC 馬達(dá)的體積和重量都小于 AC 馬達(dá)。這使得 BLDC 馬達(dá)的運(yùn)輸和安裝更為容易且成本更低。
不過，使用 BLDC 馬達(dá)的麻煩之處在于系統(tǒng)需要更復(fù)雜的電子設(shè)備來管理馬達(dá)。馬達(dá)控制一向不是電子工程師的重點(diǎn)領(lǐng)域，許多開發(fā)人員因缺乏經(jīng)驗(yàn)或?qū)I(yè)知識而無法輕松設(shè)計(jì)出必要的控制電路。BLDC 馬達(dá)的研發(fā)需要額外的時(shí)間和技術(shù)支持，這意味著需要更長的開發(fā)周期及更高的系統(tǒng)成本，這就使得系統(tǒng)制造商更難以從熟悉的 AC 馬達(dá)過渡到 BLDC 馬達(dá)。
然而，對于越來越多的制造商來說，使用 BLDC 馬達(dá)產(chǎn)生的復(fù)雜性并不會隨著市場對更節(jié)能家電需求的增加而有所抵銷。 2011 年 IMS 調(diào)查顯示，中國大約 40% 的空調(diào)采用了變頻控制 BLDC 馬達(dá)。這種情況呈上升趨勢，并且，在某種程度上，得助于因?qū)?BLDC 馬達(dá)控制而設(shè)計(jì)的專用電路。
無傳感器磁場導(dǎo)向控制技術(shù)
用于控制 BLDC 馬達(dá)的傳統(tǒng)方法采用的是驅(qū)動定子的六步過程，由此在產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩上產(chǎn)生脈動。所謂的「六步方波」過程采用霍爾效應(yīng)傳感器來檢測 BLDC 馬達(dá)中的永磁位置。
六步過程相對簡單，但容易產(chǎn)生噪音，并且對于需要根據(jù)條件的變化快速改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速的更先進(jìn)應(yīng)用來說，其響應(yīng)能力不足。以洗衣機(jī)為例，負(fù)載根據(jù)所選擇的洗滌周期有所不同，并且在整個(gè)周期過程中也有所變化。在滾筒式洗衣機(jī)中，這種情況更加復(fù)雜，當(dāng)衣物旋轉(zhuǎn)到滾筒頂端時(shí)，重力會對馬達(dá)產(chǎn)生影響。
在這些情況下，需要一個(gè)更先進(jìn)的算法。磁場導(dǎo)向控制 (FOC) 能夠提供速度快速變化所需的響應(yīng)時(shí)間，已成為當(dāng)今更先進(jìn)節(jié)能家電的馬達(dá)控制方法選擇。
有多種方式可以實(shí)現(xiàn) FOC。其中一個(gè)方法是使用傳感器(與六步方波過程方法類似)，但傳感器較難以安裝和維護(hù)，尤其是在應(yīng)用涉及復(fù)雜線束或馬達(dá)暴露在水中時(shí)。實(shí)現(xiàn) FOC 更簡單、更具成本效益的方法是取消傳感器。無傳感器 FOC 涉及由永久磁鐵在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的恒定轉(zhuǎn)子磁場，是一種非常有效的控制方法。
FOC 方法可以讓馬達(dá)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)順利運(yùn)轉(zhuǎn)，在零速時(shí)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，并能夠快速加速和減速。事實(shí)上，由于馬達(dá)的尺寸小、成本和功耗低，無傳感器 FOC 的諸多優(yōu)勢使其在對性能要求較低的應(yīng)用中成為廣受歡迎的選擇。
特定應(yīng)用解決方案
即便如此，實(shí)現(xiàn)無傳感器 FOC 需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，這對于普通設(shè)計(jì)人員來說可能并不熟悉。在過去，設(shè)計(jì)師們通常依賴于復(fù)雜的數(shù)字訊號處理 (DSP) 芯片來實(shí)現(xiàn)無傳感器 FOC。以英飛凌的FCM8531為例，它為工程師們提供了專門的解決方案，使得開發(fā)無傳感器 FOC 應(yīng)用變得更為容易。
針對采用無傳感器磁場導(dǎo)向控制 (FOC) 的系統(tǒng)，快捷半導(dǎo)體提供了一種配置有并行核心處理器的特定應(yīng)用控制裝置 FCM8531。 如圖 1 所示，F(xiàn)CM8531 由一個(gè)先進(jìn)馬達(dá)控制器 (AMC) 處理器和一個(gè) 8 位兼容 80C51 的 MCU 處理器組成。
圖二 ： FOC馬達(dá)控制 IC功能方塊圖(以FCM8531為例)
AMC 是一個(gè)專為馬達(dá)控制而設(shè)計(jì)的核心處理器。它整合了一個(gè)可配置的處理核心處理器和外圍電路，執(zhí)行無傳感器 FOC 馬達(dá)控制。系統(tǒng)控制、用戶接口、通信接口和輸入/輸出接口均可通過嵌入式 80C51 MCU來針對不同的馬達(dá)應(yīng)用進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。
FCM8531 的并行核心處理器的優(yōu)勢是，兩個(gè)處理器可以獨(dú)立工作，相互補(bǔ)充。 AMC 處理專門用于馬達(dá)控制的任務(wù)，如馬達(dá)控制算法、PWM 控制、電流檢測、實(shí)時(shí)過電流保護(hù)和馬達(dá)角度運(yùn)算。 嵌入式 MCU 通過通訊接口向 AMC 提供馬達(dá)控制命令，來執(zhí)行馬達(dá)控制活動。 復(fù)雜的馬達(dá)控制算法在 AMC 中執(zhí)行，因此，這種方法可減少軟件負(fù)擔(dān)，并簡化控制系統(tǒng)程序。
我們?yōu)橛脩籼峁┛捎糜陂_發(fā)軟件、編譯程序及進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試的馬達(dá)控制開發(fā)系統(tǒng) (MCDS) IDE 和 MCDS 編程工具。設(shè)計(jì)人員可從函式庫中選擇適合的函式，快速編譯程控功能和通訊協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)以前只能在高層次 DSP 上實(shí)現(xiàn)的效果。
結(jié)論
從能耗角度來看，消費(fèi)類電子產(chǎn)品和工業(yè)設(shè)備從傳統(tǒng)的 AC 馬達(dá)過渡到體積更小、更為高效的 BLDC 馬達(dá)具有重大意義，但設(shè)計(jì) BLDC 控制算法的復(fù)雜性阻止了工程師們實(shí)現(xiàn)這種過渡的積極性。為 BLDC 馬達(dá)控制而專門設(shè)計(jì)的專用 IC，如快捷半導(dǎo)體的 FCM8531，使開發(fā)人員更易于采用 BLDC 馬達(dá)，有助于加快向更高效模式的過渡與轉(zhuǎn)換。
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