家用电器对降低噪音、提升能效的需求越来越突出,从传统的交流感应电机转换为BLDC电机成为趋势。这其中,有哪些设计挑战需要解决?BLDC电机设计有哪些注意要点?

 

Omdia高级研究分析师Noman Akhtar表示:“由于电源效率提高和自动化等趋势以及设计更低噪声电机的需求,人们对实时电机控制的需求比以往任何时候都更为迫切。越来越多的工业系统正在从交流感应电机过渡到更节能的BLDC电机,但需要复杂的硬件和优化的软件设计才能提供高性能。满足设计人员对加快电机响应需求的同时缩短整体设计周期,将是下一代工业系统向前发展的重要一步。”

 

德州仪器 (TI)电机驱动器业务部门总经理Kannan Soundarapandian认为设计挑战主要在于三方面:第一, BLDC驱动系统控制更为复杂,开发周期也相对较长;第二,在复杂系统中所需的硬件电路板、器件等也更多,比如设计BLDC电机驱动器,就需要类似变频器的电路板,做电流采样、开关器件的切换等,电路板尺寸也会变大;第三,系统软硬件开发周期变长,系统成本增加。

 


 

BLDC三大趋势:无需编程、高度集成化、实时控制

 

如何解决这些挑战?Kannan Soundarapandian介绍,无需编程、高度集成化、实时控制等正在成为BLDC电机驱动的主要趋势。TI最新推出的70W BLDC电机驱动器,可提供无需编程、无传感器的梯形和磁场定向控制 (FOC)。使工程师能够在10分钟内启动BLDC电机,可为工程师设计各种工业系统(如大型和小型家用电器)和医疗应用(如呼吸机和持续气道正压通气机器)减少数周的设计时间。通过集成实时控制功能和包括MOSFET在内的18个分立式元件,这一驱动器加快了系统响应,并缩小70%的布板空间,同时提供更好的声学性能。

 

Kannan Soundarapandian介绍了最新推出的两款芯片MCF8316A和MCT8316A,两款芯片采用不同技术,第一种叫磁场定向控制,第二种叫梯形控制,两种都不需要传感器。通过这两款芯片,可以把整个方案的尺寸减少70%。

 


 
首先,MCF8316A和MCT8316A包括一系列独特的换向控制算法,无需开发、维护和验证电机控制软件,可减少数周的设计时间。这些算法和高度的集成特性可以使电机驱动器能给更好地管理电机故障检测等关键功能,同时实施保护机制,从而提高系统可靠性。这些电机驱动器集成了无传感器技术来确定转子位置,因此无需外部霍尔传感器,从而降低了系统成本并提高了可靠性。

 

其次,两款芯片都通过内置实时控制加快系统响应。MCT8316A可以达到最大3.5kHz的电机频率,这在需要快速和精确电机控制的扫地机器人等应用中加快了系统响应。

 

两款芯片有一个共同功能——防止总线电压的泵升。当BLDC电机正在高速运转而需要快速降低它的速度时,这时候电机会变成发电机,由于电机本身有能量,就会反灌到驱动器总线上,带来的问题就是总线电压会上升,导致总线电容、变频器等部分MOS管烧坏。这两款芯片通过内置实时控制功能,可以实时检测总线电压、动态调整电机降速的比例,始终保持总线电压是安全的,通过这种方式,能够实现降低转速,同时又能保证总线电压不超标,并且降速时间比传统时间快50%。

 

第三,MCF8316A包括一项获得专利的精密自动死区时间补偿技术,可补偿电流失真,使工程师能够优化电机声学性能。MCT8316A包括不同的梯形控制技术,设计人员可以使用这些技术来降低电机噪声,在空气净化器、冰箱、洗衣机和风扇等应用中实现业界出色的声学性能。

 

第四,MCF8316A和MCT8316A可使设计人员缩小高达70%的布板空间,并降低电机系统的总成本。这些器件集成了三个栅极驱动器和六个高侧和低侧MOSFET,每个均具有50mΩ的导通电阻 (RDS(on))。这使得BLDC电机驱动器可在12V和24V系统中提供高达70W的功率和8A的峰值电流。这些电机驱动器还集成了例如低压降(LDO)稳压器、直流/直流降压稳压器和电流检测放大器等元件,省去了多达18个分立式元件。

 

TI将继续扩展BLDC产品组合

 

为什么推出无传感器的BLDC电机?Kannan Soundarapandian首先介绍了有无传感器的区别,传感器的目的就是为了找到电机转子的位置,比如流行的霍尔传感器,能够直接装到电机内部,将转子的位置发送给芯片。而无传感器技术是通过检测电流,并且内部集成了对电机电阻、电感和反电势系数等参数的算法识别,能够实时计算出目前电机转子的位置信息,去取代传感器的信息。通过开发无传感器的技术,省去了传感器的各种角度、校正等,增强了系统的可靠性,并且降低了总体系统成本。

 

“电机在电器内部运行时会发出噪声,因此在电器应用中可能会成为“麻烦事”。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,因此BLDC电机越来越风靡”, Kannan Soundarapandian表示,“未来,TI将继续扩展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,帮助用户快速实现平滑、准确的电机运动,而不会影响系统和设备的稳健性。”