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三大趋势推动家用电器BLDC电机驱动升级

时间:2021-09-27 作者:邵乐峰 阅读:
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。
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日常生活中,家用电器,如冰箱、干衣机、油烟机、微波炉、料理机等发出的电机噪音(40dBA到100dBA以上)对我们来说似乎已经是“司空见惯”,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。同时,统计数据也显示,电机消耗掉了全球45%的能量,家庭中也不例外。

于是,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、低电压的无刷直流(BLDC)电机,这是一个相当合理的逻辑。但德州仪器(TI)电机驱动器业务部门总经理Kannan Soundarapandian日前在接受媒体采访时指出,提高电器能效、降低电机噪音的需求带来了新的设计挑战,主要体现在以下三方面:

  • BLDC驱动系统控制更为复杂,开发周期也相对较长;
  • 在复杂系统中所需的硬件电路板、器件等也更多,比如设计BLDC电机驱动器,就需要类似变频器的电路板,做电流采样、开关器件的切换等,电路板尺寸也会变大;
  • 系统软硬件开发周期变长,系统成本增加。

因此,无需编程、高度集成化、实时控制等特质正在成为BLDC电机驱动的主要趋势。

“电机在电器内部运行时会发出噪声,因此在电器应用中可能会成为‘麻烦事’。无刷直流电机通常是最安静的电机类型,尤其是与机械换向、电刷产生噪音的有刷直流电机相比。”Kannan Soundarapandian说,但控制低噪音电机非常困难,设计人员必须使用接近正弦波的、非常干净和平滑的电流来驱动电机。如果正弦波有任何失真,就会产生可听噪声。此外,设计者还需要非常准确地测量电机位置,以便正确驱动电机。

在电机中添加传感器,就是准确测量电机位置的方法之一。比如流行的霍尔传感器,能够直接装到电机内部,将转子的位置发送给芯片。但随之而来的问题是,传感器的各种位置参数需要时常加以校正,系统可靠性有所降低,成本较高。

因此,无传感器BLDC电机成为了近两年业界的“新宠”。Kannan Soundarapandian解释说,无传感器技术是通过检测电流,并且内部集成了对电机电阻、电感和反电势系数等参数的算法识别,能够实时计算出目前电机转子的位置信息,去取代传感器的信息,极大弥补了传感器电机方案的不足。

无传感器BLDC控制方法

一举多得的BLDC电机方案

Omdia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。“

那么,是否能够在加快BLDC电机设计速度的同时,同步兼顾声学、能效和实时控制需求呢?TI日前推出业内先进的70W无刷直流(BLDC)电机驱动器方案,为此做出了有益的尝试。

新发布的两款器件MCF8316A和MCT8316A分别采用无需编程无传感器的梯形和磁场定向控制(FOC)技术,使工程师能够在10分钟内启动BLDC电机,为工程师设计各种工业系统(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)减少了数周的设计时间。通过集成实时控制功能和包括MOSFET在内的多达18个分立式元件,新驱动器加快了系统响应,并缩小高达70%的布板空间,同时提供出色的声学性能。

  • 使用无需编程无传感器电机控制来缩短设计时间

MCF8316A和MCT8316A无刷直流电机驱动器包括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,从而减少数周的设计时间。这些算法和高度的集成特性可以使电机驱动器更好地管理电机故障检测等关键功能,同时实施保护机制,从而提高系统可靠性。这些电机驱动器集成了无传感器技术来确定转子位置,因此无需外部霍尔传感器,从而降低了系统成本并提高了可靠性。

此外,MCF8316A无传感器磁场定向控制电机驱动器可智能地提取电机参数,使设计人员能够快速调优电机,同时提供一致的系统性能,而不受电机制造差异的影响。通过MCT8316A无传感器梯形控制电机驱动器,设计人员仅需五个硬件引脚即可对电机进行调优。由于无需微控制器接口,因此可简化系统。

  • 出色的声学性能

MCF8316A和MCT8316A BLDC电机驱动器提供先进的实时控制功能,可帮助工程师在空气净化器、冰箱、洗衣机和风扇等应用中实现业界出色的声学性能。MCF8316A包括一项获得专利的精密自动死区时间补偿技术,可补偿电流失真,使工程师能够优化电机声学性能。MCT8316A包括不同的梯形控制技术,设计人员可以使用这些技术来降低电机噪声。

  • 利用实时控制加快系统响应

MCT8316A无传感器梯形控制电机驱动器可以达到最大3.5kHz的电机频率,比任何其他无需编程的无传感器电机驱动器都快。这在需要快速和精确电机控制的扫地机器人等应用中加快了系统响应。

MCT8316A和MCF8316A可提供快速且受控的方式来主动降低电机速度,使工程师能够以比传统电机控制技术快50%的速度关停电机。此外,这些器件可在关停电机时将能量有选择地泵回电源轨,从而保护系统免受损坏。

  • 将布板空间减小多达70%

MCF8316A和MCT8316A可使设计人员缩小高达70%的布板空间,并降低电机系统的总成本。这些器件集成了三个栅极驱动器和六个高侧和低侧MOSFET,每个均具有50mΩ的导通电阻 (RDS(on))。这使得TI的BLDC电机驱动器可在12V和24V系统中提供高达70W的功率和8A的峰值电流。这些电机驱动器还集成了例如低压降(LDO)稳压器、直流/直流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。

Kannan Soundarapandian表示,未来,TI将继续扩展BLDC产品组合,包括控制器、驱动器和符合汽车安全等级认证的栅极驱动器等产品。凭借可在任何电压下提供超高功率密度的广泛产品组合,帮助用户快速实现平滑、准确的电机运动,而不会影响系统和设备的稳健性。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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