[导读]日前,德州仪器(TI)为应对传统交流感应电机转换成BLDC电机面临的设计挑战,推出推出无需编程无传感器磁场定向控制和梯形控制的70W BLDC电机驱动器,可节省数周系统设计时间。

在5G、物联网光环之下,一个潜在的“黄金产业”的势头正在兴起。数据显示,我国智能家电市场规模正在迅猛增长,2020年达到5155亿元,预计2021年将达到5760亿元。而其中,(直流无刷电机)应用在家电行业中需求量巨大,总年用量约10亿台,这是非常庞大的市场,许多企业也已逐渐入局。

日前,德州仪器()为应对传统交流感应电机转换成BLDC电机面临的设计挑战,推出推出无需编程无传感器磁场定向控制和梯形控制的70W BLDC电机驱动器,可节省数周系统设计时间。

电器对噪声和能效需求日益增长

“家中使用的电器产品越来越多,特别是在开放性空间设计流行之后,对更低噪声、更高能效电器的需求日益增长”,德州仪器(TI)电机驱动器业务部门总经理Kannan Soundarapandian如是说。

从冰箱到料理机,噪音甚至能够从40dBA到100dBA。因此,电机降噪至关重要。在电机降噪技术上常见三种方法。

其一,阻止传播,从传播路径上进行阻断或吸音来阻止噪声传播;其二,改变噪声,通过技术手段分析噪声频率和噪声发源,利用心理声学改变声音;其三,从源头上避免噪声,这也是TI所最为推崇的方法。

数据显示,全球几近45%的能量被电机消耗掉了。因此,提高电机能效非常重要,同时全球在能效上均有相关标准。BLDC是高效率的电机,从交流感应电机过渡到BLDC电机可以降低功耗,但同时也会带来三大挑战。

其一,BLDC系统控制非常复杂,开发周期也会随之拉长;其二,由于系统变得复杂,硬件电路板和器件也会增多,整体电路板尺寸也会增大,比如在设计BLDC电机驱动需要类似变频器的电路板、进行电流采样、开关器件切换等;其三,设计周期延长提高了开发成本,电路板尺寸和器件的增多提高了材料成本。

两款颇具特色的电机驱动芯片

BLDC在拥有降低噪声和提高能效的“魔力”的同时,依然存在上述的挑战。市场上新一代BLDC电机驱动逐渐无需变成开发,但普遍难以优化性能或提供的性能不一致。另外,BLDC电机驱动器虽然集成度正在日益提高,但仍有许多亟待改善之处。

Kannan表示,TI推出的新产品逐一解决了BLDC驱动器的各种挑战。其一,新产品无需编程,经验数据显示,一个资深电气工程师调谐电机花费数周或者数月,全新产品能够将调谐时间缩短为不到10分钟;其二,产品采用实时控制加快系统响应,假设产品搭载在吸尘器上时,碰到大的负载或障碍物吸力不会减少;其三,新产品拥有许多先进设计,能够从源头上消除噪音。

新产品的具体型号是MCF8316A和MCT8316A,为70WBLDC电机驱动器,二者采用不同技术,前者为磁场定向控制(FOC),后者为梯形控制。与此同时,两款新品均不需要传感器,可以将整体方案尺寸减少70%。

为什么TI的芯片能够如此大幅度减小尺寸?这是因为普遍来说,70WBLDC电机驱动全分立方案包含MCU、MOSFET功率器件、门极驱动三部分,这种情况下总元器件数需要28个,尺寸将近7平方厘米。如果将方案进一步集成,便可获得更少的器件和更小的面积。

而TI实际上是将三大功能全部集成在一款芯片之上,总元器件数降低为10个,尺寸降低到2平方厘米。MCF8316A和MCT8316A将六个40V、50mΩ MOSFET与栅极驱动器、电流和电压感应以及控制器一起集成到一个7mm x 5mm QFN封装中,这些MOSFET排列在三个 ½-H桥中。

Kannan介绍,两款芯片拥有一个共同的功能,即防止总线电压的泵升。当BLDC电机高速运转且需快速降低速度时,此时电机会变成发电机,电机本身的能量会反灌到驱动器的总线上,这种情况下总线电压会上升,总线电容、变频器等部分MOS管会因过高电压而烧毁。于是两款芯片便内置了这一先进的功能,实时检测总线电压,同时动态调整降速的比例,始终保持总线电压是安全的。通过这种方式,两款芯片能够在降低转速的同时,又能保证总线电压不超标,且降速时间比传统时间快50%。

两款产品也各具特色,MCF8316A作为一款无传感器磁场定向控制(FOC)电机驱动器,在电机启动时能够自动识别电机参数,解决参数不一致的担忧,同时自动配置PI参数,无需工程师逐一修正;另外,该芯片可以通过自动死区时间不长,将噪声降低多达2dbA。

除此之外,MCF8316A还提供了多种功能,使无传感器磁场定向控制更容易,电机操作更一致。例如,电机参数提取工具 (MPET) 提供了一个内置的、可离线运行的实用程序来测量电机参数并自动将它们加载到设备中。TI发布了一个GUI,其中展示了调整优化电机的每一步过程,可结合我们的评估模块一起使用。闭环电机操作可通过寄存器设置进行配置。多种启动方式和广泛的自定义选项使客户能够安全可靠地启动和停止电机。

MCT8316A作为一款无传感器梯形控制电机驱动器,可以简化接口,由于自带闭环控制,因此无需使用MCU,5个硬件接口即可实现速度闭环和扭矩的控制;能够提供高达3.5kHz的电机速度;另外,芯片拥有经过优化的噪音设计,通过内部先进算法,工程师可以非常容易地降低噪音。

BLDC极具生命周期成本优势

为什么无刷直流电机更加受到青睐?据悉,电器内部电机在运行时会发出噪声,因此靠近人类的电器应用可能会成为“麻烦事”。例如,吊扇必须完全静音,空气净化器可以通过降低噪音使其运行更加高效,从而打造更有区分度的产品。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。控制低噪音电机非常困难,很多情况下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。除此之外,还需要非常准确地测量电机位置,以便正确驱动电机。

而从整个生命周期的成本来看,从交流感应电机转换到BLDC颇具性价比。一方面,BLDC整体能效提升了10%-15%,相应的可以减少系统设计包括散热方面的成本;另一方面,BLDC电机整体生命周期更长,且从节能、能耗及生命周期上来讲均具成本优势。

纵观整个市场,很少有产品能像MCx一样将功能进行高度集成,且无需编程。此外,市场上没有其他集成控制器解决方案可以实现70 W的功率传输。根据Kannan的介绍,两款芯片应用非常广泛,由于能够提取不同电机参数,可以广泛应用家电中诸如风机、水泵、油泵、风扇、吸尘器等。

除了MCF8316A和MCT8316A,TI还提供诸如C2000的MCU,可与电机驱动器(如DRV8316)一起使用,以实现分立式的布局。TI拥有丰富的控制、驱动和传感产品组合,因此客户可以为其应用选择合适的架构。“我们了解市场需求在不断发展,而TI通过利用多年的实时控制专业知识为该领域提供了更多的选择”。

“我们将继续扩展我们的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,客户可以快速实现平滑、准确的电机运动,而不会影响系统和设备的稳健性”,发布会的最后Kannan如是说。

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