家用電器BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)，三大趨勢(shì)推動(dòng)下的技術(shù)升級(jí)

家用電器對(duì)降低噪音、提升能效的需求越來(lái)越突出，從傳統(tǒng)的交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換為BLDC電機(jī)成為趨勢(shì)。這其中，有哪些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)需要解決？BLDC電機(jī)設(shè)計(jì)有哪些注意要點(diǎn)？

Omdia高級(jí)研究分析師Noman Akhtar表示：“由于電源效率提高和自動(dòng)化等趨勢(shì)以及設(shè)計(jì)更低噪聲電機(jī)的需求，人們對(duì)實(shí)時(shí)電機(jī)控制的需求比以往任何時(shí)候都更為迫切。越來(lái)越多的工業(yè)系統(tǒng)正在從交流感應(yīng)電機(jī)過(guò)渡到更節(jié)能的BLDC電機(jī)，但需要復(fù)雜的硬件和優(yōu)化的軟件設(shè)計(jì)才能提供高性能。滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)加快電機(jī)響應(yīng)需求的同時(shí)縮短整體設(shè)計(jì)周期，將是下一代工業(yè)系統(tǒng)向前發(fā)展的重要一步?！?/p>

德州儀器 (TI)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器業(yè)務(wù)部門(mén)總經(jīng)理Kannan Soundarapandian認(rèn)為設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)主要在于三方面：第一， BLDC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制更為復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期也相對(duì)較長(zhǎng)；第二，在復(fù)雜系統(tǒng)中所需的硬件電路板、器件等也更多，比如設(shè)計(jì)BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，就需要類似變頻器的電路板，做電流采樣、開(kāi)關(guān)器件的切換等，電路板尺寸也會(huì)變大；第三，系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)周期變長(zhǎng)，系統(tǒng)成本增加。

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BLDC三大趨勢(shì)：無(wú)需編程、高度集成化、實(shí)時(shí)控制

如何解決這些挑戰(zhàn)？Kannan Soundarapandian介紹，無(wú)需編程、高度集成化、實(shí)時(shí)控制等正在成為BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要趨勢(shì)。TI最新推出的70W BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可提供無(wú)需編程、無(wú)傳感器的梯形和磁場(chǎng)定向控制 (FOC)。使工程師能夠在10分鐘內(nèi)啟動(dòng)BLDC電機(jī)，可為工程師設(shè)計(jì)各種工業(yè)系統(tǒng)（如大型和小型家用電器）和醫(yī)療應(yīng)用（如呼吸機(jī)和持續(xù)氣道正壓通氣機(jī)器）減少數(shù)周的設(shè)計(jì)時(shí)間。通過(guò)集成實(shí)時(shí)控制功能和包括MOSFET在內(nèi)的18個(gè)分立式元件，這一驅(qū)動(dòng)器加快了系統(tǒng)響應(yīng)，并縮小70%的布板空間，同時(shí)提供更好的聲學(xué)性能。

Kannan Soundarapandian介紹了最新推出的兩款芯片MCF8316A和MCT8316A，兩款芯片采用不同技術(shù)，第一種叫磁場(chǎng)定向控制，第二種叫梯形控制，兩種都不需要傳感器。通過(guò)這兩款芯片，可以把整個(gè)方案的尺寸減少70%。

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首先，MCF8316A和MCT8316A包括一系列獨(dú)特的換向控制算法，無(wú)需開(kāi)發(fā)、維護(hù)和驗(yàn)證電機(jī)控制軟件，可減少數(shù)周的設(shè)計(jì)時(shí)間。這些算法和高度的集成特性可以使電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能給更好地管理電機(jī)故障檢測(cè)等關(guān)鍵功能，同時(shí)實(shí)施保護(hù)機(jī)制，從而提高系統(tǒng)可靠性。這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成了無(wú)傳感器技術(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置，因此無(wú)需外部霍爾傳感器，從而降低了系統(tǒng)成本并提高了可靠性。

其次，兩款芯片都通過(guò)內(nèi)置實(shí)時(shí)控制加快系統(tǒng)響應(yīng)。MCT8316A可以達(dá)到最大3.5kHz的電機(jī)頻率，這在需要快速和精確電機(jī)控制的掃地機(jī)器人等應(yīng)用中加快了系統(tǒng)響應(yīng)。

兩款芯片有一個(gè)共同功能——防止總線電壓的泵升。當(dāng)BLDC電機(jī)正在高速運(yùn)轉(zhuǎn)而需要快速降低它的速度時(shí)，這時(shí)候電機(jī)會(huì)變成發(fā)電機(jī)，由于電機(jī)本身有能量，就會(huì)反灌到驅(qū)動(dòng)器總線上，帶來(lái)的問(wèn)題就是總線電壓會(huì)上升，導(dǎo)致總線電容、變頻器等部分MOS管燒壞。這兩款芯片通過(guò)內(nèi)置實(shí)時(shí)控制功能，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)總線電壓、動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)降速的比例，始終保持總線電壓是安全的，通過(guò)這種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)降低轉(zhuǎn)速，同時(shí)又能保證總線電壓不超標(biāo)，并且降速時(shí)間比傳統(tǒng)時(shí)間快50%。

第三，MCF8316A包括一項(xiàng)獲得專利的精密自動(dòng)死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償技術(shù)，可補(bǔ)償電流失真，使工程師能夠優(yōu)化電機(jī)聲學(xué)性能。MCT8316A包括不同的梯形控制技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以使用這些技術(shù)來(lái)降低電機(jī)噪聲，在空氣凈化器、冰箱、洗衣機(jī)和風(fēng)扇等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)業(yè)界出色的聲學(xué)性能。

第四，MCF8316A和MCT8316A可使設(shè)計(jì)人員縮小高達(dá)70%的布板空間，并降低電機(jī)系統(tǒng)的總成本。這些器件集成了三個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和六個(gè)高側(cè)和低側(cè)MOSFET，每個(gè)均具有50mΩ的導(dǎo)通電阻 (RDS(on))。這使得BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可在12V和24V系統(tǒng)中提供高達(dá)70W的功率和8A的峰值電流。這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還集成了例如低壓降（LDO）穩(wěn)壓器、直流/直流降壓穩(wěn)壓器和電流檢測(cè)放大器等元件，省去了多達(dá)18個(gè)分立式元件。

TI將繼續(xù)擴(kuò)展BLDC產(chǎn)品組合

為什么推出無(wú)傳感器的BLDC電機(jī)？Kannan Soundarapandian首先介紹了有無(wú)傳感器的區(qū)別，傳感器的目的就是為了找到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，比如流行的霍爾傳感器，能夠直接裝到電機(jī)內(nèi)部，將轉(zhuǎn)子的位置發(fā)送給芯片。而無(wú)傳感器技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)電流，并且內(nèi)部集成了對(duì)電機(jī)電阻、電感和反電勢(shì)系數(shù)等參數(shù)的算法識(shí)別，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出目前電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，去取代傳感器的信息。通過(guò)開(kāi)發(fā)無(wú)傳感器的技術(shù)，省去了傳感器的各種角度、校正等，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，并且降低了總體系統(tǒng)成本。

“電機(jī)在電器內(nèi)部運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出噪聲，因此在電器應(yīng)用中可能會(huì)成為“麻煩事”。無(wú)刷直流電機(jī)通常是最安靜的電機(jī)類型，尤其是與機(jī)械換向、電刷產(chǎn)生噪音的有刷直流電機(jī)相比，因此BLDC電機(jī)越來(lái)越風(fēng)靡”， Kannan Soundarapandian表示，“未來(lái)，TI將繼續(xù)擴(kuò)展BLDC產(chǎn)品組合，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和符合汽車安全等級(jí)認(rèn)證的柵極驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品。憑借可在任何電壓下提供超高功率密度的廣泛產(chǎn)品組合，幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)平滑、準(zhǔn)確的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)影響系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)健性。”
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