BLDC电机设计能不能一举多得？

2021-09-16 12:14

无代码、集成的无传感器BLDC电机驱动器可以帮助设计师快速设计和优化高性能的实时控制系统。集成智能控制技术使电机驱动器易于调节,可以实现高性能和可靠的系统解决方案。

文︱立厷

图︱网络

人们的生活水平不断提高,家里的电器产品也越来越多,而许多家电都是用发出噪音的电机来驱动。消费者希望有更加静音的电器,同时也希望使用的电器尽可能节省电力。电机技术的进展已经把我们带到了从交流电机过渡到无刷直流(BLDC)电机的时代。这就够了么?对设计人员来说,还远远不够,因为要真正实现更低噪声、更高能效,BLDC电机设计仍面临着诸多挑战。当然解决方案也是层出不穷。

新电机遇到了新问题

要想解决电机噪声和节能的问题,唯一的方法从噪声源头来解决。常见的家用电器,如冰箱、干衣机、油烟机、微波炉、料理机等,发出的噪声从40dBA到100dBA以上,全部都是电机运转的声音。即使是很小的声学差异也会对人耳听到的噪音产生很大的影响。

常用电器的平均噪声水平

另外,有数据表明,全球45%的能量是电机消耗掉的,家庭中也不例外。为此,各国政府都对电机提出了节能降耗要求;消费者购买电器时也很关注能效等级标识。

各国政府的能效标准

从传统的交流感应电机转到BLDC电机可以让这些问题迎刃而解。因此,系统设计者越来越多地从基于简单、易于使用的单相AC感应电机的设计转向使用更节能、低电压的BLDC电机。效果显而易见,小型家用电器(如扫地机器人)的设计师使用更先进的BLDC电机后,实现了更长的使用寿命和更安静的操作。同时,永磁技术的进步正在简化BLDC电机的制造工艺,在提供相同转矩(负载)的同时减小了系统尺寸,同时带来了更高效率和更安静的运行。

全球性科技研究机构Omdia的高级研究分析师Noman Akhtar指出:“由于提高效率和更低噪声电机的需求,人们对实时电机控制的需求比以往任何时候都更为迫切。但更节能的BLDC电机需要复杂的硬件和优化的软件才能提供高性能。让设计人员在满足电机新需求的同时缩短整体设计周期,将是下一代电机驱动设计向前发展的重要一步。”

德州仪器(TI)电机驱动器业务部门总经理Kannan Soundarapandian指出:从设计角度看,从交流感应电机过渡到BLDC电机可降低噪声和功耗,但挑战也很多:

驱动BLDC,需要复杂的硬件和优化的软件设计来提供可靠的实时控制;

BLDC开发周期非常长,加快设计周期就需要选择专业的BLDC电机模块,但这些模块并没有针对特定系统需求进行优化

由于系统复杂,需要的硬件电路板、器件非常多,如变频器电路板、开关器件等,使电路板尺寸变大。

基于上述原因,开发成本和材料成本乃至系统成本都会相应增加;

构建一个满足特定应用需求的优化的高性能系统需要对电机设计和控制有深入的了解,使用模块时也是如此。

为什么开发无传感器方法?

有传感器电机工作很简单,是利用传感器检测电机转子位置。现在最流行的是霍尔传感器,可直接装到电机内部感受转子位置,并将信息发给控制芯片,以确定下一个换相时机。无传感器技术是通过实时电流检测,并利用基于电机的电阻、电感和反电动势系数等自动识别参数,用芯片中的算法实时计算出目前电机转子的位置信息,以取代传感器提供的信息。

典型无传感器BLDC电机

为什么要开发无传感器技术呢?一是提高可靠性,系统中传感器等零部件越多,不可靠的点就会越多,传感器一般有3个,就是3个点。二是降低成本,3个传感器加上三条线,还要连接到PCB,都是成本。三是简化校正,安装传感器时,需要对角度进行校正,难度比较大。

设计提速同时优化声学、能效和实时控制

在加快BLDC电机设计速度的同时,满足声学、能效和实时控制需求,这样的方案有吗?答案是肯定的。

TI刚刚推出的全集成BLDC电机解决方案MCF8316A和MCT8316A就可以在加快BLDC电机系统设计的同时,提供一种智能、节能和更小的解决方案,实现一举多得的结果。

MCF8316A和MCT8316A

两款产品异曲同工

两种芯片采用不同的技术,前者是磁场定向控制(FOC),后者是梯形控制,都是不需要传感器、无需编程的70W BLDC电机驱动器。

异曲同工之处包括以下几个方面:

首先是缩小方案尺寸。对于许多系统设计师来说,为BLDC系统构建硬件是一件非常困难的事情,典型系统需要栅极驱动器、MOSFET、电流检测放大器、电压感应比较器和模数转换器。大多数系统还需要专用电源结构为电路板上的所有组件供电,包括低压差稳压器或DC/DC降压稳压器等器件。集成BLDC驱动器结合了所有这些组件,提供了一个紧凑而易于使用的解决方案。

无传感器技术加上集成实时控制功能,包括3个栅极驱动器、6个导通电阻50mΩ的高侧及低侧MOSFET、低压降(LDO)稳压器、DC/DC降压稳压器和电流检测放大器等元件,省去了多达18个分立式元件,缩小多达70%的布板空间,降低了系统总成本。

可以看到,分立式方案的尺寸为7cm2,总元件数28个;集成式栅极驱动器方案尺寸为5．5cm2,总元件数24个;集成式FET方案尺寸为3cm2,总元件数13个;具有控制功能的栅极驱动器方案尺寸为2．5cm2,总元件数15个;MCF8316A尺寸仅2cm2,总元件数仅为10个。

减少多达70%布板空间

其次是出色的声学性能。两款器件的先进实时控制功能有助于工程师轻松优化声学性能。MCF8316A采用获得专利的精密自动死区时间补偿技术来补偿电流失真,使电流波形更加正弦化,从而优化电机声学性能。与传统控制方式相比,可以将噪声降低多达2dBA(如驱动笔记本电脑风扇)。MCT8316A则采用不同的梯形控制技术和内部先进算法,也有助于降低电机噪声。

第三是稳健的电机保护。当高速运转的BLDC电机需要快速降速时,电机会变成“发电机”,电机本身的能量会反灌到驱动器总线上,使总线电压上升,因为电压太高,总线电容、变频器等部分的MOS管可能会烧掉。两款芯片都内置了实时控制功能,实时检测总线电压,动态调整降速比例,始终保持总线电压是安全的。通过这种方式降低转速可以保证总线电压不会超标,且关停电机比传统产品快了50%,还可以在关停电机时将能量有选择地泵回电源轨,防止系统损坏。

第四是缩短设计时间。两款产品采用一系列独特的换向控制算法,无需开发、维护和验证电机控制软件。由于无需编程,使用认证机构(如UL)的预认证控制算法实现实时控制,使工程师能够在10分钟内启动BLDC电机,缩短设计各种工业系统(如大型和小型家用电器)和医疗应用(如呼吸机和持续气道正压通气机器)数周的设计时间。

第五是提高系统可靠性。无代码电机驱动器可以使电机驱动器更好地管理电机故障检测等关键功能,同时实现保护机制;无需外部霍尔传感器提高了可靠性并降低总系统成本。另外,MOSFET过电流和过电压保护及温度监控使设计者能够轻松提供强大的解决方案。对于使用功率小于70W的电机应用(如真空机器人、家用吊扇或洗衣机中的泵),可以选择集成MOSFET器件,进一步减少电路板空间;对于大功率应用,可以将功率MOSFET放在电路板上,将栅极驱动器和电机控制集成到一个芯片中。

各有特色,物尽其用

事实上,即使不需要开发软件,用户还是会遇到一些问题。其一是固定软件很难优化性能;其二是要控制好电机,除了算法,还有电机生产厂家的电机一致性问题。两款芯片在控制方面各有特点,解决的问题不尽相同。

两种BLDC的控制方法

MCF8316A是磁场定向控制芯片,不需要电机厂家提供电机参数,电机启动时可以自动识别。它解决了同一个电机厂商同一批电机参数不一致的担忧;调整供应商后不需要重复检测电机参数。另外,可以解决电机控制工程师调节电机PI参数工作量很大的问题,芯片可以自动配置PI参数,不需要一个个修正,也大大加速了设计时间。

MCF8316A简化原理图

在设计中,调整BLDC来满足系统性能参数(如速度、效率和噪声)很困难。需要一种无传感器梯形控制算法,用电机的反电动势电压决定换向,从而使调谐独立于电机参数。采用梯形控制的MCT8316A可以让设计师仅用5个引脚即可对电机进行调优,实现速度闭环和扭矩的控制,无需微控制器(MCU)的复杂接口,简化了系统架构。集成电机驱动器还提供反馈信号,如示波器上可见的电机相电压、电流和电机转速,以作为电机调谐过程中的参考。