Other Parts Discussed in Post: MCF8316A, MCT8316A

作者:德州儀器 Prajkta Vyavahare

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全球在減少能源消耗方面的努力不斷增加,許多國家要求家電 (如圖 1 所示) 必須滿足中國標準化研究院 (CNIS)、美國能源之星與德國藍天使等組織所訂定的效率標準。為滿足這些標準,系統設計人員逐漸捨棄簡單易用的單相 AC 感應馬達設計,改為採用更具能源效率的低電壓無刷 DC (BLDC) 馬達。掃地機器人等小型家電的設計人員也將許多系統改為使用先進 BLDC 馬達,以延長使用壽命並讓作業時更加安靜。同時,永磁技術的進步也讓 BLDC 馬達製造變得更加容易,可在縮小系統尺寸的情況下提供相同扭矩 (負載),並得到效率與系統安靜程度提升的額外效益。

 

1:典型家電

 

採用 BLDC 馬達的系統設計非常具挑戰性,因為通常需要複雜的硬體和最佳軟體設計,才能實現可靠的即時控制。加快設計週期的其中一個選擇,是採用專業廠商的 BLDC 馬達模組,但這些模組並無法針對特定系統需求進行最佳化。因此,若要打造高性能系統並進行最佳化以滿足特定應用需求,仍需具備對馬達設計與控制的深度了解,即使只是在使用模組也是如此。我將在本文討論三種方法,在加快 BLDC 馬達系統設計的同時,仍可實現能源效率且更聰明、更小巧的解決方案。

 

方法 1:無代碼式無感測器控制

無代碼式馬達驅動器包含內建控制通訊演算法,可免除對馬達控制軟體開發、維護及合格的需求。這些馬達驅動器通常會從馬達取得回饋 (例如霍爾訊號或馬達相位電壓與電流訊號),即時運算複雜控制公式以決定下一個馬達驅動狀態,並提供脈衝寬度調變訊號以供閘極驅動器或金屬氧化半導體場效應電晶體 (MOSFET) 等類比前端元件使用 (參閱圖 2)。

2:典型無感測器 BLDC 馬達系統 
 

在整合無感測器控制的即時控制中使用馬達驅動器,例如我們具備磁場導向控制的 MCF8316A 馬達驅動器,可免除對馬達中霍爾效應感測器的需求,進而提升系統可靠性並降低整體系統成本。無代碼式馬達驅動器也可管理如馬達故障偵測等重要功能,並可執行保護機制,以提升整體系統設計可靠性。這些裝置可提供由如美國安全檢測實驗室(Underwriters Laboratories)等認證機構預先認證的控制演算法實作,讓原始設備製造商能夠縮短家電產品的設計時間。

 

方法 2:使用智慧型馬達控制輕鬆進行馬達調整

調整 BLDC 馬達以滿足速度、效率及聲音雜訊等系統效能參數,有時非常困難。在開發無感測器梯形波控制演算法時,可能會由馬達的反電動勢電壓決定整流,以使調整不受馬達參數影響。像搭載整合式無感測器梯形波控制的 MCT8316A 這類整合式馬達驅動器,可提供最佳系統效能且與微控制器間無需複雜介面。此外,整合式馬達驅動器可在馬達調整程序中做為參考,提供馬達相位電壓、電流與馬達轉速等可在示波器上看到的回饋訊號。

在無感測器 FOC 演算法中,整合先進控制技術可大幅加快馬達調整,例如透過自我計算馬達參數或控制迴路調整自動化。提供馬達啟動的預設選項的導引式調整圖形使用者介面 (GUI) (如圖 3 中所示) 可幫助調整程序,並快速實現馬達轉動。適用 FOC 的 MCF8316A 和適用梯形波控制的 MCT8316A 等無代碼式馬達驅動器中包含多種馬達啟動、閉合迴路及馬達停止作業可配置選項。這些選項讓您只要在幾分鐘內便可取得最佳馬達效能,大幅縮短設計週期時間。

 

3:導引式調整 GUI

 

方法 3:縮小尺寸

 

打造適合 BLDC 系統的硬體讓許多系統設計人員不知所措。典型的系統需要閘極驅動器、MOSFET、電流感測放大器、電壓感測比較器及類比轉數位轉換器。多數系統需要專用電源架構,包含低壓差穩壓器或 DC/DC 降壓式穩壓器等裝置,以為電路板上所有元件供電。整合式 BLDC 驅動器結合所有元件,並提供精巧但使用簡單的解決方案,如圖 4 所示。

 

4:完全整合 BLDC 馬達解決方案

 

具整合控制的馬達驅動器包含保護功能,例如 MOSFET 的過電流和過電壓保護還有溫度監控,讓設計人員能更輕鬆實現強大的解決方案。對使用 70 W 以下的馬達應用而言,例如掃地機器人、住家吊扇或洗衣機中使用的幫浦,您可選擇採用整合式 MOSFET 的裝置,進一步縮小電路板空間。MCF8316A 和 MCT8316A 裝置對 24-V 應用可支援最高 8-A 尖峰電流。若是高功率應用,您可在電路板放置功率 MOSFET,並將閘極驅動器和馬達控制整合在單一晶片中。

本文討論的概念可幫助加快系統設計週期,同時實現更小且更聰明的 BLDC 馬達系統。MCF8316A 和 MCT8316A 等無代碼式整合無感測器控制 BLDC 馬達驅動器可幫助您快速設計最佳化且高效能的即時控制系統。這些裝置可為 24-V 應用提供高達 70 W 功率。運用整合式智慧控制技術,這兩款馬達驅動器調整簡單,不僅可實現高效能且可靠的系統解決方案,也是您在打造下一個低電壓、具能源效率 BLDC 系統時可考慮的最佳選項。

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