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BLDC电机设计的新架构:可配置混合控制器

丛秋波?? EDN China?? 2013年05月02日 ?? 收藏1
为了实现高可靠性、低成本和高效率,目前,电机控制应用设计人员正在从传统的通用或交流(AC)电机设计转换到更为成熟的无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)设计。然而,如果设计人员不能有效获得高级、复杂的电机控制算法,不管选择哪一种方法都具有挑战性,甚至会导致巨大的研发资源支出及更长的设计时间。

从AC电机转向BLDC电机

飞兆半导体BLDC产品线市场经理简文烯告诉本刊记者,在发展中国家,电机消耗的能量占据工业能源使用的60%~70%,电机驱动电器(洗衣机、空调、风扇等)占据总体家庭功耗的70%左右。因此,在全球,减少电子系统中电机使用的能量,成为了当前业界急待解决的首要问题。

简文烯对比了传统的AC电机和BLDC电机之间的优劣,AC电机工作效率只有35%,有噪声,体积比BLDC电机大,重量多出33%~50%。旋转速度受限于AC频(50Hz/60Hz),并且不可调节; 工作时温度会高达90℃,用途单一,寿命短。而BLDC电机的效率高达90%,旋转速度采用线性控制,根据工作负荷可自动调节,工作温度为40℃~45℃,应用范围广泛且寿命长。简文烯指出,如果电子设计工程师要将AC电机控制转换成BLDC/PMSM解决方案,同样也会遇到新的挑战,比如说,以往传统电机设计的工程师对电机的硬件比较了解,而缺乏对电子控制算法和将复杂的数学计算转换为软件编码的经验和专有技术等等。

因此,电机设计工程师希望有新的解决方案能够提供模块化的先进电机控制软件库,能最大限度减少软件设计工作,但是仍然提供可编程的系统控制和通信接口,用于实施附加功能,提供硬件保护和稳健的模拟控制器。简文烯指出,飞兆正是针对市场上这种需求,推出了用于BLDC电机控制的新架构。

用于BLDC电机控制的新架构

简文烯介绍说,为帮助设计人员应对这些成本和软件负担,飞兆半导体开发了FCM8531模拟及数字集成式电机控制器。FCM8531是一款三相混合BLDC/PMSM控制器,具有两个并行处理器,一个是先进的电机控制器(AMC),另一个是嵌入式微控制器(MCU)。该产品针对复杂的电机控制应用提供了一个完整的单芯片解决方案。这两个核心处理器独立工作,但可通过有助于避免系统挂机并增强硬件保护的内部通信接口协作进行数据交换。FCM8531通过其集成式硬件控制器和MCU接口管理功能最大限度地减少软件负担,并实现了更高效且快速的负载响应电机系统。据了解,AMC专用于电机控制,由一个基于硬件的电机控制器外加一个可以配置为数种专用电机控制算法的可配置处理内核。嵌入式MCU是流程控制和通信接口的中心,管理速度控制面板、遥控装置或LED灯指示器等功能;主要职责是MCS 51兼容MCU处理器向AMC提供电机控制指令,执行电机控制行动,并且管理外部通信接口(图1),AMC与MCU之间的MSFR是一个专用功能寄存器,是MCU至AMC间的构建平台。

那么,这种混合架构是如何工作的呢?简文烯解释,AMC能够适用各种电机设计,使用可配置和存储的飞兆半导体库执行功能强大的算法,如正弦波控制、磁场定向控制(FOC)及直接正交(DQ)控制,以提供高性能电机控制功能。 与AMC配对使用的MCU接口使用户能轻易改变寄存器的值,满足不同电机操作流程及特点的要求。该器件非常适合于解决无速度传感器风扇应用中的启动抖动,以及各种风扇和泵应用中的噪声和低效率问题。FCM8531具有多种硬件保护功能,如过压保护和过流保护。其设计考虑及提供对所有故障模式的快速响应,同时嵌入式MCU可轻易地实现额外功能。

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