使用无刷直流电机加速设计周期的 3 种方法

发布时间:2021-9-15 21:06    发布者:eechina
关键词: 无刷直流 , BLDC , 电机控制 , MCF8316A , MCT8316A
作者:德州仪器

全球都在致力降低功耗,且势头愈来愈烈。许多国家/地区都要求家用电器(如图 1 所示)满足相关组织(如中国标准化研究院 (CNIS)、美国能源之星和德国蓝天使)制定的效率标准。为了满足这些标准,越来越多的系统设计人员在设计中放弃了简单且易用的单相交流感应电机,转而采用更节能的低压无刷直流 (BLDC) 电机。为了实现更长的使用寿命和更低的运行噪音,扫地机器人等小型家电的设计人员也转而在他们的许多系统中使用更先进的 BLDC 电机。同时,永磁技术的进步正不断简化 BLDC 电机的制造,在提供相同扭矩(负载)的同时减小系统尺寸,还可以提高效率和降低系统噪音。

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图 1:常见家用电器

设计使用 BLDC 电机的系统具有挑战性,因为通常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。加快设计周期的一种选择是采用专业供应商提供的 BLDC 电机模块,但这些模块并未针对特定系统的需求进行优化。因此,为了构建优化的高性能系统来满足特定应用需求,仍然需要深入了解电机设计和控制,即便使用模块也是如此。在本文中,我将介绍三种方法,这些方法在加快 BLDC 电机系统设计的同时,还可以提供更为智能小巧的节能解决方案。

方法一:无需编程无传感器控制

无需编程的电机驱动器包括内置的控制换向算法,因此无需进行电机控制软件的开发、维护和认证。这些电机驱动器通常从电机获取反馈(例如霍尔信号或电机相位电压电流信号),实时计算复杂的控制方程以确定下一个电机驱动状态,并为栅极驱动器或金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 等模拟前端组件提供脉宽调制信号(如图 2所示)。

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图 2:典型的无传感器 BLDC 电机系统

使用集成了无传感器控制功能的电机驱动器(例如具有磁场定向控制 (FOC) 功能的 MCF8316A 电机驱动器)进行实时控制时,电机中无需霍尔效应传感器,因此可以提高系统可靠性并降低系统总成本。无需编程的电机驱动器还可以管理重要功能(如电机故障检测),并实施保护机制,使整个系统设计更加可靠。这些器件可以附带美国保险商实验室等认证机构实现的预认证控制算法,使原始设备制造商能够缩短其家用电器的设计时间。

方法二:使用智能电机控制功能轻松调谐电机

系统性能参数要求(如速度、效率和噪声)很难通过调谐 BLDC 电机来解决。该问题可通过开发一种无传感器梯形控制算法来解决,其中,换向由电机的反电动势电压决定,使调整操作不受电机参数限制。集成了无传感器梯形控制功能的集成电机驱动器(例如 MCT8316A)可以提供优化的系统性能,而无需使用复杂的接口连接微控制器。此外,请注意,在电机调谐过程中,集成电机驱动器会提供反馈信号,例如示波器上显示的电机相电压、电流和电机转速。

在无传感器 FOC 算法中,由于集成了先进控制技术,因此可以显著加快电机调谐,例如,通过自行测量电机参数或自动执行控制环路的调谐等方式加快速度。引导式调谐图形用户界面 (GUI) 提供默认的电机启动选项(如图 3 所示),有助于顺利完成调谐过程并尽快使电机旋转起来。无需编程的电机驱动器(例如用于 FOC 的 MCF8316A 和用于梯形控制的 MCT8316A)包括用于电机启动以及闭环和电机停止操作的多个可配置选项。借助这些选项,在几分钟内就能优化电机性能,显著缩短了设计周期。

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图 3:引导式调谐 GUI

第 3 种方法:减小尺寸

对许多系统设计人员来说,BLDC 系统硬件构建工作都很吃力。一个典型的系统需要栅极驱动器、MOSFET、电流感应放大器、电压感应比较器和模数转换器。大多数系统需要专用的电源架构(包括低压降稳压器或直流/直流降压稳压器等器件)为板上的所有组件供电。集成的 BLDC 驱动器结合了所有这些组件,提供了一个紧凑但易于使用的解决方案,如图 4 所示。

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图 4:完全集成的 BLDC 电机解决方案

具有集成控制功能的电机驱动器包含保护功能,例如针对 MOSFET 的过流和过压保护以及温度监测,使设计人员能够轻松提供强大的解决方案。对于功耗小于 70W 的电机应用,例如扫地机器人、家用吊扇或者是洗衣机中使用的泵,可以选择具有集成 MOSFET 的器件来进一步减小布板空间。MCF8316A 和 MCT8316A 器件在 24V 应用中支持高达 8A 的峰值电流。对于大功率应用,可以将功率 MOSFET 放置在板上,使栅极驱动器和电机控制功能集成到单块芯片中。

本文中讨论的概念有助于加快系统设计周期,同时提供更为小巧、智能的 BLDC 电机系统。借助于 MCF8316A 和 MCT8316A 等无需编程无传感器的 BLDC 电机驱动器,可以快速设计出优化的高性能实时控制系统。这些器件可以为 24V 应用提供高达 70W 的功率。凭借集成的智能控制技术,这两款电机驱动器都很容易调谐,可用于实现高性能和可靠的系统解决方案,是构建下一个基于 BLDC 的低电压节能型系统时的理想选择。

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