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如何经济有效地将你的应用过渡到无刷直流电机 |
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作者：Micronas GmbH公司 |
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半导体集成的各种选项为基于同步电机的分布式智能小型驱动方案催生出日益丰富的应用。它们包括无刷直流电机(BLDC)、永磁同步电机(PMSM)和步进电机。因其技术优势和提高了的效率,此类电机正在许多现有的应用中取代有刷电机。汽车就是个好例子。
典型汽车零部件必须具有如下特性：低系统成本、小巧、轻便、可靠且高效。同样重要的是，还要减少废气排放及降低燃料消耗。需能驱动多种电机这样一个驱动理念，加之对效率、系统设计和网络选项等的极端要求,都对执行器电子设计产生重大影响。
无刷直流电机市场
在美国有很多BLDC制造商。许多公司仍然专注于诸如有刷直流电机、步进电机等技术。但是它们中的许多家也都在生产BLDC电机作为新产品开发的基础。尽管已有许多BLDC电机制造商,尤其是生产小型BLDC的,但市场上，尚没有很多集成控制电子方案。有能力能低成本地将智能电子与BLDC电机整合在一起的厂家尚不容易找到。
采用BLDC电机技术的市场在扩大。诸如燃料或水泵、空调(采暖通风和空调)、曲面光、大灯调平及许多其它汽车功能,正在从有刷直流电机或步进电机技术转为BLDC电机技术。当然,这不能一般性地证明有刷直流电机或步进电机都将被BLDC电机技术取代。但电机控制电子与电机本身相比，太过昂贵这个主要论点，正一天天失去说服力。此外,BLDC电机的优点可以显著强化其它系统属性(见表1)。因此,可以预见向智能运动控制这样一个变革终将到来。
无刷直流电机的优势
与其它电机技术相比，BLDC电机有若干优势,总列在表1。表1:BLDC 电机优势一览
 从有刷直流过渡到无刷直流电机的问题?
当审视包括有刷直流电机(BDC)的运动控制系统时,很明显,其控制不像无刷直流电机那么复杂。简言之：控制有刷直流电机，只要给个电压，电机就会运转。对BLDC电机控制系统缺少经验的工程师经常担心在转用BLDC电机技术时会有困难,即使他们了解BLDC的优势。复杂的电子系统及需对该系统编程被认为是个障碍。因电子换向导致的较高成本通常被认为是个“奇葩”。
但从BDC过渡到BLDC并非困难重重。采用Micronas的HVC 4223F单片方案，电子电路可以相当简单。
在下例中给出的方案中,连HVC 4223F在内，只需13个器件。例如，如果系统已经包含电路板,则对BOM影响不大。在许多情况,由于更高效率，可以选用更小电机。执行器也可以更小，从而进一步降低材料成本(电机、外壳、齿轮等)。
此外,可对采用HVC 4223F的BLDC控制系统进行特定编程,使其从外面看与BDC电机无异,也只有VBAT和GND两个电源连接。因此,可在不改变整个系统设计的前提下，对现有运动控制系统进行升级。另外，长期看，可通过诸如网络和/或诊断功能等，对系统进行改进。现有的应用笔记与演示软件可提供足够用的功能，所以客户不需要从头开始设计。
用于最大化系统集成和灵活驱动系统的单片架构
Micronas的新型高压控制器(HVC)能支持系统拥有高度集成的电机驱动电路以发挥现代永磁激励直流电机的性能潜力。HVC 4223F是一款集成的、内置所有必要外围模块、可直接驱动永磁同步电机/BLDC电机和双相步进电机的微计算机系统。外围模块的编程能力和用户定义软件支持针对不同驱动系统的属性和特征，以实施最优适配。
驱动方案集成度的不断增加,使PMSM/BLDC的低功率/重量比(W/kg)成为可能,并影响功耗(功率/热管理)、驱动电路的灵活性和所选的驱动方式以及诊断选项。电子的高集成密度要求借助基于特定目标的功率管理对热工况进行适配。新的HVC系列产品提供的许多功能,可精确地实现这种适配。
根据不同应用和操作模式调适电机激励
汽车执行器使用不同驱动的概念要求能轻易地匹适电机功率桥,以及该桥是如何激励的。HVC 4223F以其可配置的最终输出级、完全集成和可编程的外围模块、及一款强大的Cortex-M3内核，完美地解决了这个问题。它集成了6个 n/n半桥(包括充电泵)。通过对输出管脚进行适当的电路连接及对软件进行配置，这些半桥可适用于不同电机类型。
EPWM-Module(增强脉宽调制)支持针对不同操作模式和类型的电机的被动和主动自由环(free-wheeling)电流模式(异步/同步整流)(见表2)。集成的电流测量和D/A转换器允许编程标称电流值(例如电流控制的微步进)。在没使用传感器的PMSM/BLDC电机中,转子位置反馈信号可通过比较器和集成星点参考发送,或通过采用霍尔传感器/编码器实现。另外,对步进电机来说，可选择通勤模式(commuted mode)以实现更高转速。对步进电机进行调适以满足不同工作模式(全/半歩、波驱动、微步、通勤)也是可能的或可编程的。表2:带新型HVC的电机类型和操作模式概述
 在高速A/D转换器及电压和电流可调测量信号路径的支持下，Cortex-M3 CPU可快速执行速度和电流控制算法。输出级包括过载保护(过压/过电流)和诊断功能。用于电机激励的集成外围模块(EPWM、比较器、星点参考、D/A转换器、诊断和过压/过流保护、温度监控)可针对表中列出的操作模式进行编程。
带Cortex-M3 CPU的高效系统
借助软件，CPU 和闪存允许极高的系统灵活性；例如，支持对转速和电流控制的实时要求、实现分布式执行器系统(例如LIN集群)的通信和诊断功能。HVC 4223F业已集成了主振荡器。可对CPU实施降频以降低功耗且不影响外设模块的功能。为减少电磁辐射,还包括一个降低EMI的模块(ERM)。可通过AHB/APB总线系统对所有外围模块进行编程并同时对系统要求进行调适。可将诊断和应用数据存储在集成的NVRAM中。
HVC系列产品的工作电源由12V车载电气系统直接提供并符合ISO 7337测试脉冲规范。启停系统由特殊的保留模式支持。与传统的线性稳压器相比,集成开关式稳压器(buck转换器)降低了功耗。节能模式支持低功耗,如Kl.30应用。外部负载(如霍尔传感器)可由可编程高侧开关供电。
对分布式小型驱动系统(例如暖通空调系统)的通信来说,HVC集成了LIN-UART和LIN物理层。另外,它还有另一个带自动寻址功能用于LIN集群的LIN管脚，例如用于暖通空调阀的应用。上述的系统集成和网络能力是小型和微型电机进一步小型化和集成化之路上的重要一步。
所用的驱动电路对驱动系统的可靠性具有决定性影响。新HVC的架构包括广泛的诊断和保护功能，其SPFM大于60%(支持ASIL)。这对按照ISO 26262在系统级的分解很重要；也即,对将安全和防护功能分配给单独和独立的系统器件承担同样重要，且这种分配可在系统、硬件和软件层面实施。
高的系统集成度对要求的系统失效时间(FIT)率有积极影响,这是因器件数量减少了。
灵活诊断的一个好例子是通过软件实现热管理。
图1:无刷直流电机内的电子集成
通过评估电流和温度,可采取措施以适应操作规范；例如，CPU降频、限制电机电流、在电机桥中采用自由环电流模式等。
新的HVC 4223F采用小巧的6×6mm、40点QFN封装，充分满足小型化要求，非常适合将电子功能集成到电机或执行器内。同时,裸露的触点(ePAD)保证了良好的热连接。结温度可达40℃到+150℃，而集成的过热监控支持在对温度有很高要求的环境使用此款产品。
带BLDC电机驱动器的定位应用实例
用于定位应用的机械执行器通常必须提供高扭矩(例如阀门、挡板等)。通常采用齿轮以获得负载所需的低转速，这就引入了相当大的摩擦损耗。在许多情况下,执行器必须要输出一个稳定的保持转矩，且执行器不能丢失其最后位置以避免需要校准。基于量轻、体小的要求，电机和电子几何扮演着重要角色。示例描述了一款单片电机驱动器方案，它采用HVC 4223F在无传感器、借助LIN通信接口实现六步通勤的环境下，驱动BLDC电机。图2显示的是阀门驱动器的原理系统，它集成了基于HVC 4223F单片方案的完整电子功能。表3:HVC 4223F所用的外围功能概述
 软硬件交互和电路方案
运动控制系统内，硬件和软件间的高效协同工作，取决于可用芯片外设的特定功能分布。表3对图2所示的无传感器、六步通勤、包括rpm和电流控制、带诊断和通信栈功能这样一个系统，总结了一种可能的方法。软件架构可以采用简单的轮询中断。
图2:带BLDC电机的示例系统
图3所示是该系统的一个基本电路方案。电机的外部组件数量可被减少到最少12个(参见图3中的表)。在有特殊的系统ESD和/或EMC要求情况下,可能需要另外器件,如用于直流供电回路或信号通路的铁氧体磁珠等。
图3:原理电路方案
结论
因为电子产品成本的下降，采用BLDC电机技术的小型电机驱动方案的数量将增长。Micronas的高度集成的单片HVC 4223F方案是这一趋势的推手。
电机的种类将增加、功能会提升,包括智能驱动器之间的联网。此外,必须满足对量轻、体小、更高功率密度、更低成本的要求。所用的电机需要小巧、轻便并能用于分布式LIN总线网络。
因可采用单片方案开发微小电机的完整平台，所以可缩短设计时间。通过调整软件，可针对不同的电机类型和属性。当今的有刷直流电机方案可以一对一地直接更换为无刷直流电机系统；在外面,BLDC电机看起来与传统电机无异，但内部却提供智能运动控制所需的所有优势。
自我诊断和功能安全发挥着越来越重要的作用。借助电子实现的整合了智能的驱动器可以提供该诊断功能。电机的属性可能会与时俱进，可以跟踪这些影响并将其存储在电子电路中，并在一定程度上进行调整。
对软件进行调适可满足大量的功能和应用需求。客户可借助单一控制器有效地配置一个完整平台。很少的分立器件和高集成度实现了高度小型化，且支持实现具有现代种类电机优点和好处的经济方案。硬件和软件的高度可重用性支持快速响应客户需求的变化。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/20/2016) |
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