如何為你的電機(jī)找到一個好“管家”?
發(fā)布時間:2020-07-14 來源:貿(mào)澤工程師社區(qū) 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】根據(jù)《世界能源關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計》的調(diào)查分析,工業(yè)領(lǐng)域約占全球電力消耗的40%以上。其中,約有70%的能耗來自電機(jī)。在全球范圍內(nèi),數(shù)以千萬計的電機(jī)正運(yùn)行于機(jī)械、風(fēng)扇、泵、壓縮機(jī)、傳送帶等設(shè)備中,這些電機(jī)約占全球電力消耗的28%。
根據(jù)《世界能源關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計》的調(diào)查分析,工業(yè)領(lǐng)域約占全球電力消耗的40%以上。其中,約有70%的能耗來自電機(jī)。在全球范圍內(nèi),數(shù)以千萬計的電機(jī)正運(yùn)行于機(jī)械、風(fēng)扇、泵、壓縮機(jī)、傳送帶等設(shè)備中,這些電機(jī)約占全球電力消耗的28%。而每年還有數(shù)百萬臺新電機(jī)被安裝在世界各地的工廠、辦公室和其他工作場所。歐盟委員會的一項研究表明,到2030年,僅工業(yè)電機(jī)的全球節(jié)能潛力就達(dá)13286太瓦時,相當(dāng)于11.4億噸油當(dāng)量,僅次于采暖應(yīng)用。由此可以看出,為這些運(yùn)行在世界各地的電機(jī)找一個好“管家”,選擇一款合適的驅(qū)動和控制IC,是多么的重要!
電機(jī)驅(qū)動和電機(jī)控制器的產(chǎn)品分類
在尋找合適的電機(jī)驅(qū)動和控制IC之前,我們首先要做這樣一件事,那就是項目中你打算使用哪種類型的電機(jī)。
按產(chǎn)品類別劃分,目前的電機(jī)類型主要包括有刷直流電機(jī)(BDC)、無刷直流電機(jī)(BLDC)、永磁同步電機(jī)(PMSM)、交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM)、步進(jìn)電機(jī)(Stepper)、開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)等6種。其中,有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是最常用的3種電機(jī)類型。根據(jù)公開的數(shù)據(jù),有刷直流電機(jī)的使用率相對較高,約占整個電機(jī)市場一半左右的份額。無刷直流電機(jī)的需求量近幾年開始出現(xiàn)一定的增長,市場分析機(jī)構(gòu)FMI預(yù)測,2018年至2027年間,無刷直流電機(jī)對電機(jī)驅(qū)動IC的需求預(yù)計將創(chuàng)造6.177億美元的增量機(jī)會。
有刷直流電機(jī)是三種電機(jī)中最簡單的一種,具有啟動響應(yīng)速度快、扭矩大、變速平穩(wěn)、控制精度高以及使用成本低等特點(diǎn),在玩具和其他對成本敏感的應(yīng)用中最常見。最近幾年,有刷直流電機(jī)也開始進(jìn)入家用電器領(lǐng)域,比如電動百葉窗和電動門鎖中都有它的身影??刂朴兴⒅绷麟姍C(jī)相對簡單,只需改變施加在電機(jī)上的平均電壓就能改變它的速度,也可以通過H橋和微控制器(MCU)來實現(xiàn)。
無刷直流電機(jī)可以看做是永磁同步電機(jī)的一種,在機(jī)械上比有刷直流電機(jī)簡單,通常轉(zhuǎn)子上有永磁體,定子上有繞組。它克服了有刷直流電機(jī)的先天性缺陷,以電子換向器取代了機(jī)械換向器,因此,無刷直流電機(jī)既有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能,又有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),非常適用于計算機(jī)風(fēng)扇、工業(yè)設(shè)備等場合。然而,它們在工作中需要精確的控制,以實現(xiàn)更高的效率。
永磁同步電機(jī)PMSM通常用于高性能和高效電機(jī)驅(qū)動。PMSM電機(jī)與BLDC電機(jī)本質(zhì)上區(qū)別不大,在現(xiàn)代各種電機(jī)應(yīng)用中,兩者之間有時可以互相替換。在TI 的官網(wǎng)中就有這樣一段話:利用我們的BLDC電機(jī)驅(qū)動器產(chǎn)品系列,能最大限度地提高三相無刷電機(jī)和永磁同步電機(jī)(PMSM)的性能。
交流感應(yīng)電機(jī)ACIM結(jié)構(gòu)簡單、可靠,而且可從AC線路電壓中直接操作,在消費(fèi)電子類應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用中頗受歡迎。
步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī),只有周期性的誤差而無累積誤差這一特點(diǎn),使得步進(jìn)電機(jī)在數(shù)字控制系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用,尤其是那些需要高精度角運(yùn)動的設(shè)計,例如臺式打印機(jī)、3D打印機(jī)、安全攝像頭、相機(jī)鏡頭、醫(yī)療掃描儀、智能照明和數(shù)控銑床等。
步進(jìn)電機(jī)是通過控制脈沖寬度、占空比或輸入脈沖周期來管理的。步進(jìn)電機(jī)控制的挑戰(zhàn)在于避免失速,失速可引起電機(jī)或電子元件的損壞。如果在過載或快速變速過程中失去同步,而驅(qū)動器仍在全力工作時,電機(jī)就會失速。因此,在設(shè)計中應(yīng)考慮要有足夠的電流裕度以防止突然的大轉(zhuǎn)矩變化。
開關(guān)磁阻電機(jī)SRM是一種新型調(diào)速電機(jī),是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)后的新一代調(diào)速系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)簡單堅固,調(diào)速范圍寬,系統(tǒng)可靠性高。
電機(jī)控制和驅(qū)動IC市場前景可期
我們常說的電機(jī)驅(qū)動其實包含兩層含義,一是控制,二是驅(qū)動。電機(jī)控制器是一種新型的集成電路(IC),在為多相電機(jī)(如無刷直流電機(jī)和三相交流感應(yīng)電機(jī))構(gòu)建高性能電機(jī)驅(qū)動器的同時,可以節(jié)省大量的工程費(fèi)用。這些控制器專為滿足低成本、變速和三相交流電機(jī)控制系統(tǒng)的要求而設(shè)計,比如低功率HVAC電機(jī)、商業(yè)洗衣機(jī)和洗碗機(jī)、過程控制、泵和風(fēng)扇等。
按行業(yè)劃分,全球電機(jī)控制IC市場分為汽車、樓宇控制、工業(yè)自動化、消費(fèi)電子、醫(yī)療保健等。機(jī)器人領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制芯片需求的增長是推動工業(yè)自動化行業(yè)電機(jī)控制IC市場的主要因素之一。汽車工業(yè)的發(fā)展是支撐全球電機(jī)控制IC增長的另一支有生力量。此外,電機(jī)控制IC在消費(fèi)電子產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用,這也將是推動電機(jī)控制IC市場增長的關(guān)鍵因素之一。
根據(jù)權(quán)威分析機(jī)構(gòu)FMI的預(yù)測,到2027年,全球電機(jī)控制IC市場的復(fù)合年增長率將從2017年的39.05億美元基礎(chǔ)上增長5.0%,相當(dāng)于擁有63.44億美元的市場潛力,而增長的驅(qū)動因素主要來自于醫(yī)療和汽車制造設(shè)備中使用的電機(jī)控制芯片。
那么,電機(jī)驅(qū)動器又有什么作用呢?它和電機(jī)控制器之間有什么區(qū)別?從電機(jī)的工作原理來看,電機(jī)驅(qū)動器只負(fù)責(zé)控制驅(qū)動電機(jī)的功率,而邏輯和數(shù)字控制必須由外部微控制器或微處理器完成,后者就是電機(jī)控制器。電機(jī)控制器內(nèi)置所有邏輯電路,可由更高級別的接口(如PWM信號、USB、模擬輸入等)進(jìn)行控制。在價格上,電機(jī)驅(qū)動器通常比控制器要低一些。現(xiàn)在,企業(yè)在提供電機(jī)驅(qū)動解決方案時,往往將控制部分和驅(qū)動部分集成在一起,用戶拿到的就是一個整體的解決方案。
如何為你的項目選擇一個合適的電機(jī)控制驅(qū)動器?
在消費(fèi)電子產(chǎn)品、家用電器、計算機(jī)和外圍設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和汽車等領(lǐng)域,只要我們需要連續(xù)運(yùn)動或精確定位,就離不開電機(jī)。上文我們已經(jīng)提到,常用的電機(jī)類型有三種,即有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)電機(jī)的不同,我們需要尋找的電機(jī)控制驅(qū)動器解決方案也會有一定差別。
在能源短缺以及全球氣候變暖的雙重壓力下,更高能效、更出色動態(tài)性能和更低運(yùn)行噪聲,已成為電機(jī)驅(qū)動設(shè)計的必然趨勢。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的整體優(yōu)化是在給定的投資條件下有效實現(xiàn)最高系統(tǒng)效率水平的關(guān)鍵途徑,這也是為什么企業(yè)提供的電機(jī)驅(qū)動方案往往是一個整體的集成方案。
現(xiàn)在,全球排名前十(Top10)的模擬IC供應(yīng)商幾乎都有電機(jī)驅(qū)動IC業(yè)務(wù)。因此,市場上可供選擇的產(chǎn)品和方案非常多。在IC Insights發(fā)布的一份報告中,在德州儀器(TI)2019年128億美元的IC銷售額中,模擬電路約占80%,業(yè)務(wù)來源主要集中在工業(yè)應(yīng)用(占銷售額的36%)。電機(jī)驅(qū)動器是TI 重要的產(chǎn)品分支,它提供的電機(jī)驅(qū)動器不僅簡化了設(shè)計,減少了電路板空間,還能有效降低系統(tǒng)成本。從具有簡單控制接口的集成電機(jī)驅(qū)動器到智能門驅(qū)動器和功能安全設(shè)備,TI 的產(chǎn)品能幫助系統(tǒng)設(shè)計師盡可能地提高電機(jī)性能。
在介紹具體的電機(jī)驅(qū)動方案之前,我們有必要先來看一下在電機(jī)驅(qū)動方案中常常被提到的H橋是怎么回事,因為H橋是驅(qū)動有刷直流電機(jī)最常用的方式。圖1是H橋的工作原理圖,它使用兩對晶體管(通常是MOSFET)來控制電流流過電機(jī)的方向。通過改變電流的方向,電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向就會改變。憑借廣泛的電壓范圍和多種結(jié)構(gòu),包括單H橋和多H橋驅(qū)動器,我們就會得到適用于各種工業(yè)、個人電子和汽車應(yīng)用的有刷直流電機(jī)驅(qū)動器方案。綜合來看,有刷直流電機(jī)的控制是最簡單的,沒有時間或協(xié)議的要求。而步進(jìn)電機(jī)和無刷直流電機(jī)都需要特定類型的信號來控制。
圖1:H橋工作原理圖(圖片來自https://core-electronics.com.au)
TI DRV8x系列電機(jī)驅(qū)動器可對有刷和無刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或其他電子機(jī)械傳動器等電磁設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動。借助TI DRV8x系列集成電機(jī)驅(qū)動器,設(shè)計人員可快速、輕松地實現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動,縮短上市時間,并極大地簡化設(shè)計。通過集成柵極驅(qū)動電路、感應(yīng)放大器、保護(hù)裝置、FETS、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制接口,并采用驅(qū)動算法,便可大幅改善設(shè)計復(fù)雜度、電路板空間以及電機(jī)驅(qū)動時間。此外,DRV8x系列還提供過流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓閉鎖和超溫的內(nèi)部停機(jī)功能。
圖2:簡化的DRV8840工作原理圖(圖片來源:TI DRV8840)
其中,DRV8840專為打印機(jī)、掃描儀和其他自動化設(shè)備應(yīng)用提供集成的電機(jī)驅(qū)動解決方案。該裝置有一個H橋驅(qū)動器,用于驅(qū)動一個有刷直流電機(jī)。DRV8828可以從8.2V到45V的單電源供電,提供高達(dá)5A的峰值或3.5A的輸出電流(在24V和25°C下適當(dāng)散熱)。一個簡單的PHASE/ENBL接口可以方便地連接到外部控制器,用于調(diào)節(jié)驅(qū)動電流的大小。
Maxim公司的電機(jī)驅(qū)動器MAX14872,有一個正向旋轉(zhuǎn)的邏輯電平輸入和一個反向旋轉(zhuǎn)的邏輯電平輸入,以及一個可以用來關(guān)閉設(shè)備的有效低啟動引腳。
圖3:MAX14872工作原理圖(圖片來源:MAX14872)
圖4是NXP公司的三相無刷直流(BLDC)電機(jī)控制參考設(shè)計,該方案基于其Kinetis系列MCU,為三相無傳感器BLDC電機(jī)控制解決方案提供范例。它采用6步通信流程,包括閉環(huán)速度控制和動態(tài)電機(jī)電流限制。集成了全面的模擬功能,為BLDC電機(jī)控制應(yīng)用提供高性能解決方案。
圖4:NXP公司3相無刷直流電機(jī)控制方框圖(圖片來源:NXP官網(wǎng))
意法半導(dǎo)體(ST)的STSPIN電機(jī)驅(qū)動器系列集成了以極高精度高效驅(qū)動電機(jī)所需的所有功能,并且包括一個可降低主微控制器負(fù)荷的先進(jìn)運(yùn)動輪廓生成器,同時通過一套全面的保護(hù)和診斷特性確保穩(wěn)固性和可靠性。在廣泛的額定電壓和電流范圍上滿足了有刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和無刷直流電機(jī)的要求。
STSPIN820是一款256微步集成電機(jī)驅(qū)動器,帶步進(jìn)時鐘和方向接口,集成在一個4 x 4mm的小型QFN封裝中,內(nèi)含控制邏輯和低RDSon功率級。集成控制器實現(xiàn)PWM電流控制,具有固定的OFF時間和1/256th的微步分辨率。
圖5:STSPIN820過流和短路保護(hù)管理原理圖
對步進(jìn)電機(jī)而言,過流和短路保護(hù)非常重要。圖5所示的STSPIN820內(nèi)嵌的保護(hù)電路能讓每路電源輸出免受過載和短路的沖擊。當(dāng)觸發(fā)過電流或短路保護(hù)時,功率級將被禁用,開漏MOSFET保持開啟狀態(tài),直到EN故障輸入降至VRELEASE閾值以下,然后通過外部REN電阻器對CEN電容器進(jìn)行充電。
結(jié)語
現(xiàn)在,電機(jī)已經(jīng)遍布在我們生活的每個角落,它們可以在洗衣機(jī)、烘干機(jī)、冰箱、汽車、風(fēng)扇、水泵、空調(diào)和大量的其他產(chǎn)品中找到。對于這樣一個能耗“大戶”,它們需要盡可能高效地運(yùn)行以減少能源消耗。因此,從最簡單到最先進(jìn)的電機(jī)控制驅(qū)動方案,它們都有共同的特質(zhì):性能、可靠性、效率和精度要盡可能的“高”,尺寸、成本和上市時間要盡可能的“低”。如果您正在尋找合適的電機(jī)驅(qū)動方案,希望本文能為您打開項目的第一扇門。
(來源:電子創(chuàng)新網(wǎng),貿(mào)澤工程師社區(qū))
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