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轉換BLDC馬達沒你想像的那麼難!

2016年04月25日  | Adriano De Rosa/Micronas IC架構師

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各種半導體整合技術為基於同步馬達的分散式智慧小型驅動解決方案提供了層出不窮的應用機會,這些同步馬達包括了無刷直流馬達(BLDC)、永磁同步馬達(PMSM)和步進馬達。由於它們的技術優勢和不斷提高的效率,這些馬達正在替代許多現有應用中的有刷馬達;汽車就是一個很好的例子。


典型的汽車元件必須滿足低系統成本、小型化、輕量和可靠的要求,並具有很高的效率;降低廢氣排放量與燃料消耗量也很重要。對於能與種類廣泛的馬達共同運作的驅動概念需求,以及對效率、系統設計和連網選項的特殊要求,對致動器電路影響甚鉅。


無刷直流馬達市場

美國有大量的無刷直流(BLDC)馬達製造商,大多數公司仍然專注於有刷直流馬達、步進馬達等馬達技術,但其中許多公司已經將BLDC馬達作為新產品開發的基礎。雖然市場上有許多BLDC馬達製造商,特別是微型BLDC馬達的製造商,但市場上並沒有很多整合式的控制電子解決方案。能夠製造內建智慧電路的BLDC馬達,而且是採用低成本方法的公司,在市場上仍是鳳毛麟角。


BLDC馬達技術的普及率正在提升;許多汽車功能,比如油泵或水泵、冷暖空調(HVAC)、彎道照明、頭燈調節等等,都正在從有刷直流馬達或步進馬達技術,轉換為BLDC馬達技術。是的,這並不能說明所有有刷直流馬達或步進馬達都將轉換為BLDC馬達技術。與馬達本身價格相比、BLDC馬達控制電路價格高昂的主要論點正在日益消退;另外,BLDC馬達優勢可以顯著增強其他系統屬性(表1)。因此一場智慧馬達控制的革命即將展開。


與其他競爭性的馬達技術相比,無刷直流馬達有諸多優勢,見表1所示。


表1 無刷直流馬達優勢
表1 無刷直流馬達優勢

從有刷直流馬達轉換為無刷直流馬達面臨的問題

觀察包括有刷直流馬達在內的運動控制系統會很明顯地發現,控制的複雜性低於BLDC馬達;簡言之,你只需要為有刷馬達供電,它就會開始運作了。在BLDC馬達控制系統方面缺乏經驗的工程師,經常害怕難以轉換到BLDC馬達技術,即使他們知道BLDC的優勢所在;這類系統的複雜電路和程式設計被認為是BLDC發展的障礙。另外,由於電子整流(electronic commutation)而導致的較高系統成本也經常被認為是影響BLDC普及的一個因素。


然而,從有刷馬達轉換到無刷馬達並沒有想像中那麼困難;例如利用Micronas HVC 4223F單晶片解決方案,能讓電路設計運作相當簡單。


以下的案例概括介紹了一種解決方案,只需要運用包括HVC4223F在內的13個零組件;如果系統已經包含一片印刷電路板(PCB),那麼對材料清單(BOM)的影響是不大的。在許多情況下可以使用更小的馬達,因為這些馬達具有更高的效率,致動器也可以更小,從而進一步降低材料成本(馬達、機殼、傳動裝置等)。


另外,採用HVC4223F設計的BLDC控制系統,能以某種方式被編程為從外面看起來的行為就像是有刷馬達,只需連接VBAT和接地電源,因此無需改變完整的系統設計就能升級現有的運動控制系統。長期來看這種系統還可進一步改進,例如增加連網功能和/或診斷功能等;客戶不必從頭開發軟體,因為現有的應用實例與展示軟體可以提供足夠的功能。


旨在實現最高系統整合度和靈活驅動系統的單晶片架構

Micronas的新型高壓控制器(HVC)允許使用高整合度馬達驅動電路的系統,達到現代永磁激勵直流馬達的性能;該HVC4223F元件是一種高度整合的微電腦系統,配備必要的週邊模組可直接驅動PMSM/BLDC馬達和雙極步進馬達。這些週邊模組的程式設計功能和使用者定義的軟體允許4223F能夠最佳地匹配不同驅動系統的性能和屬性。


由於使用了低功耗/重量比(W/kg)的PMSM/BLDC馬達,驅動解決方案的整合度越來越高,因此影響到驅動電路和所選驅動器的功耗(功率/熱管理)和靈活性,也影響到一些診斷功能。高整合度的電路要求通過特定目標功耗管理方法來適應散熱運作條件。新的HVC系列產品提供的許多功能正好支援這種適應性。


針對不同應用和運作模式調整馬達啟動方式

在汽車致動器中不同驅動概念的使用要求方便地適應馬達功率橋和這種橋的啟動方式。HVC 4223F可以利用可配置的最終輸出級電路、高度整合和可程式設計的週邊模組以及ARM Cortex-M3核心來解決這個問題。4223F整合6個n/n半橋(包括充電泵)。透過適當的輸出接腳佈線和軟體配置,這些可以良好適應馬達類型。


增強型脈寬調變(EPWM)模組支援針對不同運作模式和馬達類型(表2)的被動與主動式續流電流模式(非同步/同步整流);整合的電流測量功能和數位類比轉換器,支援額定電流值編程(例如針對電流控制的微型步進)。


在PMSM/BLDC馬達中,轉子位置的回饋訊號無需使用感測器,只需透過比較器和整合的星點基準(star-point references)就能發送出去;或者透過霍爾效應感測器/編碼器進行發送。另外,可以選擇針對步進馬達的整流運作模式,比如為了實現更高的轉速。使步進馬達可以適應不同運作模式(全/半步進、聲波驅動、微步進、整流操作)或者可程式化。


表2 採用最新高壓控制器的馬達類型和運作模式一覽
表2 採用最新高壓控制器的馬達類型和運作模式一覽

用ARM Cortex-M3 CPU可以快速執行速度與電流控制演算法——並且得到了用於電壓與電流測量的高速模數轉換器和可調訊號路徑的支援。輸出級包含超載保護(過壓/過電流)和診斷功能。用於馬達啟動而整合的週邊模組(EPWM、比較器、星點基準、數位類比轉換器、診斷和過壓/過流保護、溫度監視)可以針對表中列出的運作模式進行程式設計。


使用ARM Cortex-M3 CPU的高效系統

利用軟體方法,CPU和快閃記憶體可以實現特別高的系統靈活性,比如滿足分散式致動器系統(如LIN叢集)中的旋轉速度和電流控制、通訊以及診斷功能的即時要求。主振盪器已經整合在裡面。可以在不影響週邊功能的情況下逐步降低CPU週期來降低功耗。為了減少電磁輻射,還包含了一個電磁干擾抑制模組(ERM)。所有週邊模組都可以通過AHB/APB匯流排系統進行程式設計,進而滿足系統要求。整合的NVRAM允許儲存診斷和應用資料。


在電源方面,高壓控制器系列產品是直接通過12V板載電氣系統供電的,符合ISO 7337測試脈衝要求。啟停(Start-stop)系統由專門的「保留模式(retention mode)」提供支援。與傳統的線性穩壓器相比,整合的開關穩壓器(降壓轉換器)可以最大限度地減少功率損失。節能模式可以為例如K1.30應用提供低功耗。外部負載(如霍爾感測器)可以透過可程式化高側開關進行供電。


針對分散式小型驅動系統(如HVAC系統)中的通訊,在高壓控制器中整合LIN-UART和LIN實體層。另外還有第二個LIN接腳可用於LIN叢集,它具有自動定址(auto-addressing)功能,適合HVAC閥門應用。這裡介紹的系統整合和網路功能是小型和微型馬達進一步微型化和提高整合度的重要途徑。


驅動系統的可靠度受採用的驅動電路影響甚鉅;新的高壓控制器架構包含有擴展診斷和保護功能,其SPFM超過60% (ASIL安全等級)。這對於符合ISO 26262標準的系統等級分解(decomposition)來說很重要,對於將安全性要求分配給各個獨立的系統單元來說也很重要,並且可以在系統、硬體和軟體等各層級實行。


由於元件數量減少,高系統整合度對所要求的系統故障率FIT (Failure in Time)有正面的影響。以軟體實現「熱管理」就是一個有關靈活診斷的優良案例。


圖1 BLDC馬達中的電路整合
圖1 BLDC馬達中的電路整合

透過評估電流和溫度,就可以採取一定的措施來適應運作環境;利如減少CPU週期,限制馬達電流,改變馬達橋中的續流電流模式等等。


用BLDC馬達定位致動器的應用案例

用於定位應用的機械致動器通常需要提供很高的扭矩(比如在閥門、襟翼等應用中)。通常要用到齒輪裝置來在負載端獲得低轉速,但這會由於摩擦而導致相當大的損耗。在許多情況下,致動器必須施加一個穩定的保持扭矩,並且不應失去最後的位置,以避免啟動校準。


由於重量的減輕和空間的限制,馬達和電路的幾何結構扮演著重要的角色。以下介紹了一種單晶片的馬達致動器解決方案,由HVC4223F驅動BLDC馬達,並透過LIN通訊介面完成無感測器的六步整流。圖2顯示透過HVC 4223F單晶片解決方案整合了完整電路的閥門致動器的原理系統。


圖2 使用BLDC馬達的系統
圖2 使用BLDC馬達的系統

馬達控制系統中軟硬體的高效互動取決於可用晶片週邊的特定功能分佈情況。圖3是針對這種系統的基本電路解決方案;馬達的外部元件數量可以減少到最少的12個(參考圖3中的表格)。在有特殊系統靜電放電和/或電磁相容要求的情況下,比如在直流供電鏈路或LIN訊號路徑中,就可能需要增加一些像磁珠(ferrite beads)這樣的零件。


圖3 BLDC馬達系統電路解決方案
圖3 BLDC馬達系統電路解決方案

總結

因為電路成本不斷下降,使用BLDC馬達技術的小型馬達驅動解決方案數量也將不斷增加,在不斷下降。馬達的種類與功能也將持續多樣化,包括支援智慧驅動器之間的連網功能;另外,還必須滿足對更輕重量、更小尺寸、更高功率密度和更低成本的要求,所用的馬達需要輕便小巧,並能用於分散式LIN匯流排網路。


由於整個微型馬達平台可以用單晶片解決方案實現,因此設計階段可以大大縮短。透過適當地修改軟體,就可以適應不同的馬達類型和屬性。今天的有刷直流馬達解決方案,完全可以用無刷直流馬達系統1:1替代,而從外部看來就像是傳統的馬達,但內部則可以提供實現智慧運動控制所需的所有優勢。


自診斷和功能性安全扮演的角色越來越重要;透過電子技術「整合智慧性」的驅動器可以提供這種診斷功能。舉例來說,一個馬達的屬性可以在整個生命週期內隨時改變;這些效應可以被電子裝置跟蹤和儲存,並可進行一定程度的調整。


透過修改軟體可以滿足大量的功能和應用要求。客戶只需一種控制器就能高效地安裝一個完整的致動器平台。少量的離散元件和高整合度提供了高度的微型化,並能實現具有現代馬達優勢和好處的經濟性解決方案。軟硬體的高度重複使用性能快速回應不斷變化的客戶要求。





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