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如何将您的应用合算地过渡到无刷直流电机

Adriano De Rosa?? Micronas有限公司IC架构师?? 2016年03月28日 ?? 收藏3
各种半导体集成技术为基于同步电机的分布式智能小型驱动解决方案提供了层出不穷的应用机会。这些同步电机包括了无刷直流电机(BLDC)、永磁同步电机(PMSM)和步进电机。由于它们的技术优势和不断提高的效率,这些电机正在替代许多现有应用中的有刷电机。汽车就是一个很好的例子。

典型的汽车元件必须满足低系统成本、小型化、轻型化和可靠的要求,并具有很高的效率。减少尾气排放和降低燃料消耗也很重要。与宽范围电机一起工作的驱动概念的需求以及对效率、系统设计和联网选项的特殊要求,对执行器电路有很大的影响。

无刷直流电机市场

美国有大量的无刷直流电机(BLDC)制造商。大多数公司仍然专注于有刷直流电机、步进电机等电机技术,但其中许多公司已经将BLDC电机作为新产品开发的基础。虽然市场上有许多BLDC电机制造商,特别是微型BLDC电机的制造商,但市场上并没有很多一体化的控制电子解决方案。能够制造内置智能电路的BLDC电机而且采用低成本方法的公司在市场上仍是凤毛麟角。

BLDC电机技术的普及率正在提升。许多汽车功能,比如油泵或水泵、采暖通风与空调(HVAC)、弯道照明、头灯调节等等,都在从有刷直流电机或步进电机技术转换为BLDC电机技术。是的,这并不能说明所有有刷直流电机或步进电机都将转换为BLDC电机技术。但与电机本身价格相比电机控制电路价格太贵的主流观点正在日益消退。另外,BLDC电机优势可以显著增强其它系统属性(参考表1)。因此,一场智能电机控制的革命大幕即将开启。

无刷直流电机的优势

与其它竞争性的电机技术相比,无刷直流电机有诸多优势,见表1所示。

表1,无刷直流电机优势小结
表1,无刷直流电机优势小结

从有刷直流电机转换为无刷直流电机面临的问题?

观察包括有刷直流电机(BDC)在内的运动控制系统会很明显地发现,控制的复杂性要低于无刷电机(BLDC)电机。简言之,你只需要给有刷电机加上电,它就可以开始工作了。在BLDC电机控制系统方面缺乏经验的工程师经常害怕他们会难以转到BLDC电机技术,即使他们知道BLDC的优势所在。这种系统的复杂电路和编程被认为是拦路虎。另外,由于电子换向而导致的较高系统成本也经常被认为是影响BLDC普及的一个因素。

然而,从有刷电机转换到无刷电机并没有想象中那么困难。借助Micronas公司HVC 4223F单芯片解决方案,电路可以做得相当简单。

下面这个例子概括介绍了一种解决方案,这种方案只需包括HVC4223F在内的13个元件。如果系统已经包含有PCB,那么对物料清单(BOM)的影响是不大的。在许多情况下,我们可以使用更小的电机,因为这些电机具有更高的效率。执行器也可以更小,从而进一步减小物料成本(电机、外壳和齿轮等)。另外,在某种程度上,采用HVC4223F设计的BLDC控制系统在经过编程后,可以使它从外面看就好像是有刷电机一样——只需连接VBAT和地提供电源即可。因此,现有的运动控制系统无需改变完整的系统设计就能升级。而从长期来看,这种系统还可以进一步改进,比如增加联网功能和/或诊断功能等。消费者不必从头开始做软件开发,因为现有的应用笔记和演示软件可以提供足够的功能。

旨在实现最高系统集成度和灵活驱动系统的单芯片架构

新的Micronas高压控制器(HVC)允许使用采用高集成度电机驱动电路的系统达到现代永励直流电机的性能。HVC 4223F是一款集成的微型计算机系统,含有可直接驱动PMSM/BLDC电机和双极步进电机所必要的外设模块。这些外设模块的编程功能和用户定义的软件允许最佳匹配不同驱动系统的性能和属性。

由于使用了低功耗/重量比(W/kg)的PMSM/BLDC电机,驱动解决方案的集成度越来越高,因此影响到功耗(功率/热管理)、驱动电路的灵活性和所选的驱动,以及诊断选择。高集成度的电路要求通过特定目标功耗管理来适应热工作条件。新的HVC系列提供的许多功能正好支持这种适应性。

针对不同应用和工作模式调整的电机激活

在汽车执行器中不同驱动概念的使用要求方便地适应电机电源电桥和桥的激活方式。HVC 4223F通过可配置的最终输出级、高集成度和可编程的外设模块以及功能强大的ARMCortex?-M3?内核来精准地解决这个问题。HVC 4223F中集成了6个n/n半桥(包括充电泵)。通过适当的输出引脚电路布线和软件配置,这些半桥可以很好地适应电机类型。

EPWM模块(增强型脉宽调制)支持针对不同工作模式和电机类型的无源和有源续流电流图案(“异步/同步整流”)(见表2)。集成的电流测量功能和数模转换器允许编程标称电流值(比如针对电流控制的微型步进)。在PMSM/BLDC电机中,转子位置的反馈信号无需使用传感器,通过比较器和集成的星点基准,或者通过霍尔效应传感器/编码器就能发送。另外,我们可以选择针对步进电机的换向工作模式,比如用于实现更高的转速。使步进电机适应不同工作模式(整步/半步、波型驱动、微步、换向操作)也是可行的,或者可以编程。

表2,采用最新高压控制器的电机类型和工作模式一览
表2,采用最新高压控制器的电机类型和工作模式一览

ARM Cortex-M3 CPU可以用来快速执行速度与电流控制算法——由针对电压与电流测量的高速模数转换器和可调信号路径支持。输出级包含过载保护(过压/过流)和诊断功能。用于电机启动的集成式外设模块(EPWM、比较器、星点基准、数模转换器、诊断和过压/过流保护、温度监控)可以针对表中所列工作模式进行编程。

使用ARM Cortex-M3 CPU的高效系统

借助软件手段,CPU和闪存可以实现特别高的系统灵活性,比如满足旋转速度和电流控制的实时要求、分布式执行器系统(如LIN集群)中的通信以及诊断功能。主振荡器已经集成在里面。我们可以在不影响外设功能的情况下逐步降低CPU周期来降低功耗。为了减少电磁辐射,其中还包含了一个电磁干扰抑制模块(ERM)。所有外设模块都可以通过AHB/APB总线系统进行编程,进而满足系统要求。集成的NVRAM允许存储诊断和应用数据。

在电源方面,高压控制器系列产品是直接通过12V板载电气系统供电,并符合ISO 7337测试脉冲要求的。启停系统由专门的“保留模式”提供支持。与传统的线性稳压器相比,集成的开关稳压器(降压转换器)可以最大限度减小功率损失。节能模式可以为比如K1.30应用提供低功耗。外部负载(如霍尔传感器)可以通过可编程高侧开关进行供电。

针对分布式小型驱动系统(如HVAC系统)中的通信,高压控制器中集成了LIN-UART和LIN物理层。另外,LIN集群中还有第二个LIN引脚可用,它具有自动寻址功能,例如可用在HVAC阀门应用中。这里介绍的系统集成和网络功能是小型和微型电机进一步微型化和提高集成度的重要途径。

驱动系统的可靠性受所用驱动电路的影响很大。新高压控制器架构包含有扩展诊断和保护功能,其SPFM超过60%(“ASIL可用”)。这对于符合ISO 26262的系统级分解来说很重要,即对于将安全与安保要求分配给各个独立的系统单元来说也很重要,并且可以在系统、硬件和软件级来进行。

由于元件数量的减少,高系统集成度对要求的系统失效率FIT(故障时间)有积极的影响。

用软件实现“热管理”就是一个有关灵活诊断的极好例子。

图1:BLDC电机中的电路集成
图1:BLDC电机中的电路集成

通过评估电流和温度,我们就可以采取一定的措施来适应工作环境,比如减少CPU周期,限制电机电流,改变电机电桥中的续流电流图案等等。

新的HVC 4223F采用6mm×6mm小型40引脚QFN封装,非常适合微型化,并将电路集成到电机或执行器中。另外,“外露的焊盘”(ePAD)可以保证良好的导热连接。-40℃至+150℃的结点温度范围和集成的过温监控允许其在温度恶劣的应用中使用。

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《电子技术设计》2016年4月刊版权所有,谢绝转载。


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