隨著節(jié)能成為全球范圍關(guān)注的焦點(diǎn)，電機(jī)設(shè)計(jì)的能效也日益成為一個(gè)引人關(guān)注的問(wèn)題。電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品不斷配合行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，幫助設(shè)計(jì)人員提升能效、降低能耗、提高可靠性、減少元件數(shù)量等等，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能方面發(fā)揮著積極的作用。
電機(jī)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)
歷經(jīng)百年的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已非常廣泛。安森美半導(dǎo)體的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品覆蓋的汽車及工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用，正是電機(jī)市場(chǎng)主要趨勢(shì)的一個(gè)縮影。
首先是汽車電氣化的趨勢(shì)，即汽車制造商用集成的高能效電機(jī)替代傳統(tǒng)內(nèi)燃引擎動(dòng)力，通常是用無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)替代皮帶和齒輪驅(qū)動(dòng)，用于引擎蓋下的輔助元件，如泵、閥、供暖及空調(diào)、風(fēng)扇等。由于BLDC電機(jī)具有相當(dāng)優(yōu)異的性能，也開始進(jìn)入傳統(tǒng)上采用有刷直流(BDC)電機(jī)方案的其他應(yīng)用。
另一個(gè)趨勢(shì)是應(yīng)用裝配率的提升增加了電機(jī)的安裝數(shù)量，如電機(jī)化供暖通風(fēng)空調(diào)(HVAC)氣瓣控制(主要用于有刷直流及單極步進(jìn)電機(jī))也開始應(yīng)用于較低端汽車的HVAC系統(tǒng)。
BLDC電機(jī)在工業(yè)及電信中的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。典型應(yīng)用包括風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、泵及壓縮機(jī)。BLDC電機(jī)的能效比交流電機(jī)或開關(guān)磁阻電機(jī)更高。BLDC電機(jī)能實(shí)現(xiàn)低成本變速應(yīng)用，特別是用于集成了無(wú)傳感器換相算法，從而能夠省卻外部傳感器。
節(jié)能趨勢(shì)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的新要求
能源成本通常是電機(jī)整個(gè)壽命周期成本最主要的部分。因此，采用更高效的電機(jī)可以節(jié)約大量能源。
節(jié)能趨勢(shì)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新要求包括幾個(gè)方面，其一，能效是由所選擇的電機(jī)技術(shù)及電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的，因此要求選擇能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的比例提升至最高的電機(jī)。其次，要選擇可以將驅(qū)動(dòng)器的功耗降至最低并提高能效的驅(qū)動(dòng)電路。其三，要通過(guò)提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)智能來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的能耗方案。
此外，一些應(yīng)用還要求系統(tǒng)中不使用有刷電機(jī)(使用步進(jìn)或無(wú)刷直流電機(jī))；而使用無(wú)傳感器換相(不使用電位計(jì)或霍爾傳感器反饋)、嵌入運(yùn)動(dòng)控制算法(用于低動(dòng)力應(yīng)用)，將能效提到最高，降低可聽(tīng)噪聲，改善電磁干擾(EMC)性能等。另外，還有一些應(yīng)用需要將驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)緊鄰布設(shè)在機(jī)電致動(dòng)器上，并通過(guò)總線(LIN、I2C等)連接至中央控制單元。
安森美半導(dǎo)體提高電機(jī)設(shè)計(jì)能效的創(chuàng)新解決方案
在快速、精確及動(dòng)態(tài)的動(dòng)作控制應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)是越來(lái)越普及的一種選擇。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能驅(qū)動(dòng)器/控制器專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)也涌現(xiàn)出來(lái)，能夠高效地驅(qū)動(dòng)這些電機(jī)。這些器件為設(shè)計(jì)人員提供了更加靈活的方案，開創(chuàng)了創(chuàng)新功能的空間，并發(fā)現(xiàn)了許多新的應(yīng)用。
1. 雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制器
安森美半導(dǎo)體開發(fā)的AMIS-3062x系列的AMIS-30623就是高效驅(qū)動(dòng)機(jī)電致動(dòng)器中的雙極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制器。這款產(chǎn)品嵌入了專用有限狀態(tài)機(jī)及針對(duì)先進(jìn)前照燈系統(tǒng)(AFS)系統(tǒng)要求定制的本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)指令集。該器件集成了非傳感控制檢測(cè)功能，能提高可靠性，減少元件數(shù)量和板上空間，降低產(chǎn)品成本。AMIS-30623專為遠(yuǎn)程及多軸定位應(yīng)用而設(shè)計(jì)，非傳感控制檢測(cè)功能的設(shè)計(jì)者能輕易完成精確的定位校準(zhǔn)及半封閉式的循環(huán)操作。
AMIS-30623的LIN接口使其適用于需要連接遠(yuǎn)程LIN主機(jī)的機(jī)械電子解決方案。這款產(chǎn)品的目標(biāo)應(yīng)用包括前照燈級(jí)測(cè)量、自動(dòng)HVAC設(shè)計(jì)、監(jiān)控?cái)z像頭控制、專業(yè)照明設(shè)備及工業(yè)機(jī)器人等。AMIS-30623的工作溫度均為-40℃至125℃，可傳輸高達(dá)800 mA的可編程電流。芯片上的定位控制器可依監(jiān)控類型、定位范圍和參數(shù)的不同而修改配置。這款產(chǎn)品還具備電流保持特性。圖1是AMIS-30623的框圖。
AMIS-30623步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制器框圖
安森美半導(dǎo)體的AMIS-30624步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也可用于可移動(dòng)式拍攝全景-上下擺動(dòng)-放焦變大(PTZ)保安攝像機(jī)應(yīng)用。該器件通過(guò)I2C總線以簡(jiǎn)單的微控制器驅(qū)動(dòng)3個(gè)電機(jī)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持極緊湊的攝像機(jī)設(shè)計(jì)，有助于降低成本及提供精確的工作。
AMIS-3062x單芯片解決方案的核心是一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器和一個(gè)H橋布局的50mA至800mA雙極兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這種驅(qū)動(dòng)器提供微步進(jìn)(micro-stepping)操作，因此不再需要在速度、噪聲和共振導(dǎo)致的失步(step loss)之間進(jìn)行權(quán)衡。運(yùn)動(dòng)控制器提供可編程峰值電流，采用20kHz PWM電流控制方案。它還集成了系統(tǒng)通信接口，有LIN或I2C接口可供選擇。在包括汽車工業(yè)在內(nèi)的遠(yuǎn)程或分布式應(yīng)用中，LIN架構(gòu)可以減少布線和改善EMC性能。配有I2C的器件更適合在獨(dú)立PCB上與本地微處理器一起用作外圍設(shè)備。
該系列器件的主要優(yōu)點(diǎn)是，所有針對(duì)應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制功能都可以在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)編程，明顯減少了工程師的編碼工作。如果選擇器件的閃存版本，還可以在開發(fā)應(yīng)用及之后測(cè)試和調(diào)試軟件時(shí)進(jìn)行再編程。這將顯著加快設(shè)計(jì)更新的速度。
2. 步進(jìn)電機(jī)的精確動(dòng)態(tài)控制
隨著步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)在越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)人員也在繼續(xù)追求高精度的定位。此外，其高能效、高性能及逐漸縮小的尺寸等特性，也使其對(duì)紡織機(jī)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)數(shù)控銑雕機(jī)等設(shè)備的吸引力與日俱增。安森美半導(dǎo)體的AMIS-305xx系列就是用于需要精確動(dòng)態(tài)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的ASSP，它能夠以SPI接口提供可變電機(jī)電流控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的動(dòng)態(tài)控制。
AMIS-305xx系列集成了轉(zhuǎn)換器，將連續(xù)步長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為所需的線圈電流(可通過(guò)查找表或其他方式)。該系列還集成了采用H橋配置的驅(qū)動(dòng)器晶體管、反激二極管、經(jīng)PWM的片上穩(wěn)流，以及多種保護(hù)電路。圖2是AMIS-30522應(yīng)用框圖。
AMIS-30522應(yīng)用框圖
該系列IC包含兩個(gè)內(nèi)置H橋，能夠以最高達(dá)1600mA的電流驅(qū)動(dòng)雙相步進(jìn)電機(jī)。速度和負(fù)載角輸出使主微控制器能夠檢測(cè)阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和運(yùn)行結(jié)束狀況，而無(wú)需額外的開關(guān)、霍爾(Hall)傳感器或光學(xué)編碼器。除了停轉(zhuǎn)檢測(cè)，這些功能還允許設(shè)計(jì)人員為微控制器編程，以計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，并按要求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電流或速度，以防止失步。它還完美實(shí)現(xiàn)了微步進(jìn)，能夠消除終點(diǎn)停止的噪聲和震動(dòng)，并在無(wú)需添加元件的情況下提升運(yùn)動(dòng)控制的精確度和可靠性。
在構(gòu)建加工、汽車、安全和建筑自動(dòng)化應(yīng)用時(shí)，工程師不必再擔(dān)心運(yùn)動(dòng)算法中的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些均已嵌入在ASSP中。他們只需設(shè)計(jì)電機(jī)的總體運(yùn)動(dòng)，而相關(guān)IC可以實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器失速檢測(cè)等先進(jìn)特性，從而更進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的工作，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。此外，這些新的微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還可使設(shè)計(jì)人員用最少的元件和最低的材料成本快速而簡(jiǎn)便地完成動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用。
3. 其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制解決方案
安森美半導(dǎo)體的NCV770x系列驅(qū)動(dòng)器也常用于驅(qū)動(dòng)HVAC電子控制單元中的氣瓣。這個(gè)系列半橋驅(qū)動(dòng)器提供了高性價(jià)比的方案，可以用串聯(lián)或并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)多個(gè)有刷直流電機(jī)，同時(shí)也完全滿足了壽命周期內(nèi)可靠性、診斷、電池供電瞬態(tài)等方面的最新汽車標(biāo)準(zhǔn)。
總結(jié)
高效節(jié)能是一個(gè)總的趨勢(shì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也正趨于成為大批量通用產(chǎn)品，而降低每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的成本及減小方案尺寸則是主要的動(dòng)力。市場(chǎng)將會(huì)在高效的控制方式和成本之間獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。
根據(jù)戰(zhàn)略重點(diǎn)和對(duì)系統(tǒng)需求的理解，尤其是客戶的需求，安森美半導(dǎo)體采用定制方法為客戶提供從ASSP到客戶專用集成電路(ASIC)的不同方案。這些解決方案將幫助中國(guó)市場(chǎng)上的消費(fèi)電子、工業(yè)控制和汽車電子領(lǐng)域的電機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員獲得更高的效率、更長(zhǎng)的壽命、更佳的故障控制，使電機(jī)逐步實(shí)現(xiàn)了小型化、高效率、低噪聲和更高的可靠性。