無軟體技術展妙用 三相BLDC馬達效能再提升

2017 年 02 月 20 日

單相感應馬達和單相無刷直流(BLDC)馬達已存在多年,廣泛部署於家用電器(如冰箱)、工業空調系統及其他眾多應用提供了一個相對便宜驅動風扇的方法。雖然這類應用的物料成本很低,但這是錯誤的省錢方式,因為普遍存在於馬達的低能效工作意味著相關功耗將維持在高水準,因此電費會更高。

此外,單相BLDC馬達產生的相當大的雜訊所引起的麻煩也要列入考量。隨著更強勁的國際環境立法及更多的消費者開始在意能效,都促進過時的固定速度單相感應馬達轉向可調速同步馬達發展。

節能需求增 三相無刷馬達需求增
 

精密三相BLDC馬達對於當今更注重節能的時代變得越來越有吸引力。這些元件毋需機械換向器(這對有刷馬達是必備條件),因此機械不易磨損,從而可靠度更高、使用壽命更長,也支援更高的能效水準。

為了產生表示正確的轉矩施加到磁轉子的旋轉磁場,驅動器必須能夠不斷確定轉子相對於定子線圈的方向和位置,這當然可以使用霍爾效應辦到。一個控制電路包括用於定位的三個霍爾感測器(彼此之間相差120度)(圖1),使其可用最佳性能驅動BLDC馬達。從這些感測器中獲得的資料,表明轉子的位置。利用精確的時間,實現準確的速度和轉矩控制,從而顯著提升單相馬達控制的能效。光學編碼器提供了另一種獲得所需的位置回饋的方法,但這些都不是特別強固。一般來說,這類元件不能應對惡劣的應用環境,在這些環境下,可能容易受衝擊、振動或異物存在的影響。

圖1 三相馬達驅動的傳統設置 – 使用三個霍爾感測器(左);使用無感測器方案(右)。

 

藉由微控制器單元(MCU)負責轉子定位,利用測量當轉子永磁體經過時各定子繞組的反電勢,可以採用無感測器控制方法,毋需像以前那樣依賴霍爾感測器技術。

特別是隨著微MCU的價格持續下降,近年來這種無感測器法已經獲得越來越多關注。它產生了更簡化緊湊的系統,須要指定的元件更少,並大大減少占板面積,採用這種結構組裝的馬達能更好地解決現代電子設計所帶來的嚴格空間和預算限制。

解決MCU部署困境 無軟體控制技術趁勢崛起
 

雖然這一切聽起來都很有優勢,但仍然有MCU部署的問題。尤其是現在,在要求安靜、平滑的馬達驅動應用中,簡單的梯形驅動波形開始被更先進的正弦波形替代(從而使馬達運行速度更快、更平滑,以及降低功耗)。

無感測器馬達控制須要開發本質上複雜的驅動系統,在許多情況下,有可能會超出經驗較不豐富的工程師能力範圍,甚至也可能考驗一些經驗相當豐富的工程專業人員的能力。

深入的軟體發展和代碼生成的知識幾乎是必須的。此外,可能須要評估然後根據馬達的物理/電氣特性隨後調整一系列不同參數的能力,例如,反電動勢與轉子轉速成正比,利用這種方法產生足夠的反電勢以控制馬達所需的速度將各不相同。所有這一切不僅為專案所分配的工程團隊帶來明顯的壓力,還有可能延長設計週期,從而耽擱了產品推出。

現在已經出現了三相馬達控制的替代策略,此種方式沒有部署傳統光電編碼器感測器的高成本的影響,或配合無感測器、以微控制器為中心的方案的複雜軟體發展工作。有了這種新的方法,馬達依賴於一個單一的霍爾感測器。

這產生一個時序訊號,以用計數器硬體測得的脈衝為週期。這可以用來獲得馬達的轉速,基於這個序列,硬體能夠產生一個PWM脈衝產生一定的電壓水準,建立有關查找資料表的正弦電壓波形的一部分。這意味著,一個特定的正弦電壓激勵週期是由前一週期到下一控制週期的結果確定。

因此,毋須進行軟體發展,或沒有一般伴隨參數調整的困難。推出這類「免」軟體的部署,毋需MCU,意味著現代風機系統所需的BLDC馬達可以更簡單快速的實施。從而可看到三相BLDC工作的低雜訊和高能效優勢,沒有以前需要克服的技術障礙的顧慮。

基於這種方法,以安森美半導體為例,該公司已開發出開創性的三相BLDC電機驅動IC–LV8813,能夠提供現在很多工程師所需的無軟體控制。

滿足無軟體控制需求 電源IC業者新銳出
 

此一馬達驅動器IC能夠顯著簡化風機馬達驅動,且不需要複雜的MCU控制(圖2)。

圖2 無軟體三相馬達控制採用LV8813驅動器IC。

 

該IC只需要單個元件,而不是三個霍爾感測器來獲取轉子位置。速度回饋控制功能已嵌入LV8813及額外的速度調節器IC–安森美半導體的LB8503,以支援馬達以精確和回應控制的速度運行。從連接的熱敏電阻或電位器獲得的電壓電平資料有助於控制馬達的速度。引線角度控制參數可通過電壓輸入配置,以說明最大限度地提高驅動能效,並隨後通過該IC的外部引腳調整(圖3)。

圖3 LV8813馬達驅動器IC的功能模組框圖

 

此外,該元件根據電機的物理特性和應用的負載特性優化功耗。它提供了一個比採用180度換向的競爭IC更高的最大電流規格和更低的導通電阻。採用20引腳的TSSOP封裝,尺寸僅6.95mm× 4.4mm,該緊湊元件適用於家電、投影機、桌上型電腦等設備的冷卻風扇。

測試表明,正弦驅動比傳統的梯形驅動降低了噪音及震動。由於需要的嵌入式系統並不十分複雜,縮短了上市時間,並支援分配更少的開發資源。

上述功能讓工程師們能快速實現,且在工作量可負荷的情況之下,處理時間緊迫而成本敏感的消費類應用,這也意味著OEM廠商可將更高能效和更低雜訊的產品推到市場,同時也減少開發成本/時間。

無軟體控制助力 三相BLDC馬達困境迎刃解
 

多年來,用於冰箱等應用的各種驅動風扇馬達的方法都會在性能或設計兩者間折衷。雖然三相BLDC的方案從能效、功耗、雜訊、磨損和特定部署的耗損等標準角度來看,提供了比單相設計重要的優勢,但也產生了一系列新的潛在問題,像是需要感測器或光電編碼器,或在無感測器實施的情況下,需要複雜和令人費解的軟體發展。

不過,隨著能夠提供無軟體控制的先進三相BLDC馬達驅動IC的出現,大大簡化了風扇馬達驅動應用,而不影響控制、能效和可靠性等其他重要性能。

(本文作者皆任職於安森美)

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