无软件技术展妙用 三相BLDC马达效能再提升

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度36票   时间:2017年2月20日 04:59
单相感应马达和单相无刷直流(BLDC)马达提供了一个相对便宜的风扇驱动方法,但却是错误的省钱方式,因为这种马达的效率不高,相当浪费电。 三相BLDC则有着明显的效率优势,且在无软件技术的加持下,其优势将更加明显。

单相感应马达和单相无刷直流(BLDC)马达已存在多年,广泛部署于家用电器(如冰箱)、工业空调系统及其他众多应用提供了一个相对便宜驱动风扇的方法。 虽然这类应用的物料成本很低,但这是错误的省钱方式,因为普遍存在于马达的低能效工作意味着相关功耗将维持在高水平,因此电费会更高。

此外,单相BLDC马达产生的相当大的噪声所引起的麻烦也要列入考虑。 随着更强劲的国际环境立法及更多的消费者开始在意能效,都促进过时的固定速度单相感应马达转向可调速同步马达发展。

节能需求增 三相无刷马达需求增  

精密三相BLDC马达对于当今更注重节能的时代变得越来越有吸引力。 这些组件毋需机械换向器(这对有刷马达是必备条件),因此机械不易磨损,从而可靠度更高、使用寿命更长,也支持更高的能效水平。

为了产生表示正确的转矩施加到磁转子的旋转磁场,驱动器必须能够不断确定转子相对于定子线圈的方向和位置,这当然可以使用霍尔效应办到。 一个控制电路包括用于定位的三个霍尔传感器(彼此之间相差120度)(图1),使其可用最佳性能驱动BLDC马达。 从这些传感器中获得的数据,表明转子的位置。 利用精确的时间,实现准确的速度和转矩控制,从而显著提升单相马达控制的能效。 光学编码器提供了另一种获得所需的位置回馈的方法,但这些都不是特别强固。 一般来说,这类组件不能应对恶劣的应用环境,在这些环境下,可能容易受冲击、振动或异物存在的影响。


图1 三相马达驱动的传统设置 – 使用三个霍尔传感器(左);使用无传感器方案(右)。
 
藉由微控制器单元(MCU)负责转子定位,利用测量当转子永磁体经过时各定子绕组的反电势,可以采用无传感器控制方法,毋需像以前那样依赖霍尔传感器技术。

特别是随着微MCU的价格持续下降,近年来这种无传感器法已经获得越来越多关注。 它产生了更简化紧凑的系统,须要指定的组件更少,并大大减少占板面积,采用这种结构组装的马达能更好地解决现代电子设计所带来的严格空间和预算限制。

解决MCU部署困境 无软件控制技术趁势崛起 

虽然这一切听起来都很有优势,但仍然有MCU部署的问题。 尤其是现在,在要求安静、平滑的马达驱动应用中,简单的梯形驱动波形开始被更先进的正弦波形替代(从而使马达运行速度更快、更平滑,以及降低功耗)。

无传感器马达控制须要开发本质上复杂的驱动系统,在许多情况下,有可能会超出经验较不丰富的工程师能力范围,甚至也可能考验一些经验相当丰富的工程专业人员的能力。

深入的软件开发和代码生成的知识几乎是必须的。 此外,可能须要评估然后根据马达的物理/电气特性随后调整一系列不同参数的能力,例如,反电动势与转子转速成正比,利用这种方法产生足够的反电势以控制马达所需的速度将各不相同。 所有这一切不仅为项目所分配的工程团队带来明显的压力,还有可能延长设计周期,从而耽搁了产品推出。

现在已经出现了三相马达控制的替代策略,此种方式没有部署传统光电编码器传感器的高成本的影响,或配合无传感器、以微控制器为中心的方案的复杂软件开发工作。 有了这种新的方法,马达依赖于一个单一的霍尔传感器。

这产生一个时序讯号,以用计数器硬件测得的脉冲为周期。 这可以用来获得马达的转速,基于这个序列,硬件能够产生一个PWM脉冲产生一定的电压水平,建立有关查找数据表的正弦电压波形的一部分。 这意味着,一个特定的正弦电压激励周期是由前一周期到下一控制周期的结果确定。

因此,毋须进行软件开发,或没有一般伴随参数调整的困难。 推出这类「免」软件的部署,毋需MCU,意味着现代风机系统所需的BLDC马达可以更简单快速的实施。 从而可看到三相BLDC工作的低噪声和高能效优势,没有以前需要克服的技术障碍的顾虑。

基于这种方法,以安森美半导体为例,该公司已开发出开创性的三相BLDC电机驱动IC--LV8813,能够提供现在很多任务程师所需的无软件控制。

满足无软件控制需求 电源IC业者新锐出 

此一马达驱动器IC能够显著简化风机马达驱动,且不需要复杂的MCU控制(图2)。


图2 无软件三相马达控制采用LV8813驱动器IC。
 
该IC只需要单个组件,而不是三个霍尔传感器来获取转子位置。 速度回馈控制功能已嵌入LV8813及额外的速度调节器IC–安森美半导体的LB8503,以支持马达以精确和响应控制的速度运行。 从连接的热敏电阻或电位器获得的电压电平数据有助于控制马达的速度。 引线角度控制参数可通过电压输入配置,以说明最大限度地提高驱动能效,并随后通过该IC的外部引脚调整(图3)。


图3 LV8813马达驱动器IC的功能模块框图
 
此外,该组件根据电机的物理特性和应用的负载特性优化功耗。 它提供了一个比采用180度换向的竞争IC更高的最大电流规格和更低的导通电阻。 采用20引脚的TSSOP封装,尺寸仅6.95mm× 4.4mm,该紧凑组件适用于家电、投影机、桌面计算机等设备的冷却风扇。

测试表明,正弦驱动比传统的梯形驱动降低了噪音及震动。 由于需要的嵌入式系统并不十分复杂,缩短了上市时间,并支持分配更少的开发资源。

上述功能让工程师们能快速实现,且在工作量可负荷的情况之下,处理时间紧迫而成本敏感的消费类应用,这也意味着OEM厂商可将更高能效和更低噪声的产品推到市场,同时也减少开发成本/时间。

无软件控制助力 三相BLDC马达困境迎刃解 

多年来,用于冰箱等应用的各种驱动风扇马达的方法都会在性能或设计两者间折衷。 虽然三相BLDC的方案从能效、功耗、噪声、磨损和特定部署的耗损等标准角度来看,提供了比单相设计重要的优势,但也产生了一系列新的潜在问题,像是需要传感器或光电编码器,或在无传感器实施的情况下,需要复杂和令人费解的软件开发。

不过,随着能够提供无软件控制的先进三相BLDC马达驱动IC的出现,大大简化了风扇马达驱动应用,而不影响控制、能效和可靠性等其他重要性能。

(本文作者皆任职于安森美)


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