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半导体技术可保持有刷电机的简单性

2016-12-15 13:52:57     来源:安森美半导体        

【大比特导读】开发这些应用的工程师不仅需要胜任硬件设计及微控制器编程,还需要深入了解电机物理学来设计最大的能效到系统中。有刷电机应用设计人员通常没有这些技能,所以他们不愿意使用无刷电机。

电机到处都是,但不像灯泡,它们不是那么明显。当有无生命的物理在移动时,很可能是由一个电机驱动。这些电机驱动我们家里的冰箱、洗碗机和洗衣机。它们开门、运行手扶电梯、垂直电梯和火车送我们去工作。

想不到,有刷电机和白炽灯有许多共同点:都于19世纪发明和优化,其易用性使它们在20世纪我们的日常生活中随处可见,它们同样都受到21世纪重视能效的法规的影响。现时白炽灯已大部分消失了,但更高能效的无刷电机仍只是缓慢的替代有刷电机。这一部分是因为成本的原因,也因为实施无刷电机系统时仍有显着的技术挑战。半导体技术促使便宜但能效低的白炽灯消失,同样也可能使有刷电机走向同样的结局。

电机到处都是,但不像灯泡,它们不是那么明显。当有无生命的物理在移动时,很可能是由一个电机驱动。这些电机驱动我们家里的冰箱、洗碗机和洗衣机。它们开门、运行手扶电梯、垂直电梯和火车送我们去工作。在我们工作时它们煮咖啡、冷却电脑和运行空调。在现代汽车中,采用20至50个电机为调节车镜、前大灯和座椅、燃油泵、水泵和挡风玻璃液、以及辅助制动和转向等多种不同的功能提供动力。将来,电机甚至会负责让汽车自己移动。

在过去一个世纪,这些应用选择的电机大多是有刷电机,因为它非常易于使用。像灯泡,只要通电就工作 – 反向电压通过终端,电机将反转方向。改变电压,速度就变化。这简单性可能因为电机内的机械式开关(换向器)使它旋转。换向器由旋转铜滑环和滑动接头(称为电刷)组成,旋转铜滑环连接到旋转电机线圈,滑动接头令电流从固定电机外壳流向滑环。当电机线圈组件旋转,线圈端子滑过电刷,指示电流流过线圈,以这样一种方式保持旋转。

 图1:有刷电机原理图 
图1:有刷电机原理图

虽然换向器使有刷电机易于使用,但它也是问题的主要来源。换向器易受机械磨损,限制了电机的使用寿命。电刷磨损产生灰尘,降低电机性能。此外,当电机电流沿滑环在线圈间流动,产生电弧。这样的刷电弧产生臭氧,及造成噪声和电子辐射,可能干扰电气设备如电话、无线电和无线通信网络。在有灰尘或可燃环境中,刷弧可能非常危险,因为它可引发火灾甚至引起爆炸。换向器采用机械式电刷,也限制了电机高达70%的电能效;而无刷电机可实现高达90%的能效(如Nicola Tesla早在19世纪末显示)。如果无刷电机比有刷电机更高能效、更可靠和更环保,为什么当今有刷电机仍然如此普遍?

就像白炽灯和LED灯,以一些更复杂和昂贵的东西取代一些便宜和简单的东西,通常需要最初来自政府的强大压力,直到大规模生产把价格降下来。国际能效标准(如北美的能源之星和欧盟的生态设计)强制企业去遵守。此外,消费者越来越关注环境和节能,现在更愿意在节能产品花钱,或者是出于良心的原因,又或者是为减少电费帐单。因此,能效除了作为纯粹的法规要求,也被视为工程师将他们的产品与竞争对手区分开来的一种途径。同样,在汽车领域,汽车制造商已被要求通过不断收紧的二氧化碳排放标准提升燃油经济性。这可以许多创造性的方式实现,但一个可持续的方法是驱动传统上连接到发动机及电机的系统。后者可更好地针对手头任务进行优化,只在必要时运行。一个很好的例子是动力转向系统,它必须在停车时以空转发动机提供最大的转向支持。当动力转向系统仍连接到发动机,它耗费大量的动力在总线,这时转向最小,因此,汽车中的动力转向系统成为第一个使用无刷电机的应用。随着法规的日益严苛,无刷电机正被设计到液压泵中提供制动支持、发动机冷却风扇、燃油泵、油/水泵等等。

虽然以无刷电机取代传统的有刷电机是提高能效和可靠性,同时消除噪声和污染的快速路经,但无刷电机的实施对工程师是一重大挑战。以前必须由换向器机械式完成的工作现在使用三相逆变器电气化完成。逆变器需要一个门极驱动器,它通常由一个微控制器实施复杂的电机控制算法来控制。因此,开发这些应用的工程师不仅需要胜任硬件设计及微控制器编程,还需要深入了解电机物理学来设计最大的能效到系统中。有刷电机应用设计人员通常没有这些技能,所以他们不愿意使用无刷电机。

这些工程师需要的是现成的方案,不需要深入设计和编程专知就能让无刷电机运行。目的是使无刷电机应用开发就像有刷电机开发一样简单,以至应用工程师可专注于他们的专长到应用上,而不是如何使电机转动。类似于LED灯取代白炽灯,半导体行业可支持转向使用无刷电机部署,通过为客户解决电机控制系统的复杂性。有利的是,有一些公司正开始应对挑战。

有个例子是安森美半导体,已用其用于立体声设备、磁盘驱动和冷却风扇的“易于使用”的电机驱动器经验,集中在工业和汽车用无刷电机的开发。特别地,公司推出高度集成的LV8907电机驱动IC,使无刷电机像有刷电机一样易于使用,无需任何软件开发。LV8907可用于12 V工业和消费电子应用,而且兼容汽车要求,只需6个功率开关和几个分立电阻和电容。该IC负责启动,无需传感器换向和运行无刷电机所需的各种安全特性。在电机和应用相关参数通过SPI接口上传后,控制电机速度所必需的是一个脉宽调制信号(PWM)-就像有刷电机应用一样。所有相关参数可存储在该器件的嵌入式非易失性(OTP)存储器中,并将在应用的生命周期内保持固定。

虽然可使用一个开关用于固定速度模式,但LV8907的内置P-I速度控制回路结合PWM输入,支持在不同电源电压和负载条件下电机速度的精确调控。得益于该器件集成的保护功能,可保护应用免受过流、过压和过温及其它故障条件的损害。在堵转的情况下,LV8907将停止驱动电机,并在设置间隔后再重启。

总之,从有刷向无刷电机的过渡已在进行,出于能效的原因,和日益严格的政府法规正加速这开发。然而,由于这过渡涉及显著的技术挑战,他们仍存在障碍来增加无刷电机应用的范围。通过引入无刷电机智能电机控制方案,半导体行业正提供越来越多的产品,消除这些障碍。因此,无刷电机,像LED灯,可能随着21世纪引进新技术来应对环境的挑战而越来越普遍。也许很快,有刷电机就像白炽灯一样成为历史。
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