從能耗角度來(lái)看，消費類(lèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)設備從傳統的 AC 馬達過(guò)渡到體積更小、更為高效的 BLDC 電機具有重大意義，但設計 BLDC 控制算法的復雜性阻止了工程師們實(shí)現這種過(guò)渡的積極性。
從手機中的小型振動(dòng)馬達到家用洗衣機和空調中使用的更復雜的馬達，馬達已成為消費領(lǐng)域中的日常裝置。馬達同樣也是工業(yè)領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分，在很多應用中廣泛運用，如驅動(dòng)風(fēng)扇、泵等各種機械設備。這些馬達的能量消耗是非常巨大的：研究表明，僅在中國，馬達所消耗的能源占工業(yè)總能耗的 60% 至 70%，其中風(fēng)扇和泵所消耗的能源占中國整體功耗的近四分之一。盡管這個(gè)數字在其他國家可能沒(méi)那么高，但降低電子系統中的馬達能耗已在全球成為必須優(yōu)先考慮的議題。
一個(gè)多世紀以來(lái)，傳統的交流 (AC) 馬達已被廣泛使用。交流馬達是設計最簡(jiǎn)單的感應馬達，但他們卻造成了大量能源的浪費。這是因為交流馬達只輸出恒定速度，不能隨工作條件的變化進(jìn)行自適應�，F在已有一些調節交流馬達速度的簡(jiǎn)單方法(例如，可以提供三種速度選擇的標準家用風(fēng)扇)，但這些方法的應用范圍有限，而且難以轉移到更為復雜的系統。
但對于直流 (DC) 馬達，可以通過(guò)改變電壓來(lái)改變和控制速度，從而根據應用需要來(lái)加快或減慢工作速度。這可以節省大量的能源，因為馬達可以根據需要的條件來(lái)運行。在一般情況下，DC 馬達比 AC 馬達更有效率。
圖一 ： 用更小、更高效的 BLDC 馬達代替傳統的 AC 馬達可以節約能源并降低成本，但 BLDC 控制所需的演算法非常復雜，以至於很多設計師都不愿進(jìn)行轉換。為 BLDC 馬達控制而專(zhuān)門(mén)設計的專(zhuān)用 IC 可以令這項工作變得更為容易。
BLDC馬達的優(yōu)勢
DC 馬達可被設計為有刷馬達或無(wú)刷馬達。無(wú)刷直流 (BLDC) 馬達通常是大多數應用的最佳選擇。這種馬達更可靠、更安靜，產(chǎn)生的電磁輻射更少，并且更為安全，因為它們消除了由于電刷和換向器而產(chǎn)生的火花。BLDC 馬達體積更小、效率更高，這意味著(zhù)它們需要使用更少的能源。
BLDC 馬達的運行溫度低于 AC 馬達，更為高效的設計使得其內部零件產(chǎn)生的熱量更少。 這不僅能夠增加軸承系統的使用壽命，還能夠提高電氣系統及風(fēng)機的可靠性。
此外，BLDC 馬達的功率密度也高于 AC 馬達。對于相同的能量輸出，DC 馬達的體積和重量都小于 AC 馬達。這使得 BLDC 馬達的運輸和安裝更為容易且成本更低。
不過(guò)，使用 BLDC 馬達的麻煩之處在于系統需要更復雜的電子設備來(lái)管理馬達。馬達控制一向不是電子工程師的重點(diǎn)領(lǐng)域，許多開(kāi)發(fā)人員因缺乏經(jīng)驗或專(zhuān)業(yè)知識而無(wú)法輕松設計出必要的控制電路。BLDC 馬達的研發(fā)需要額外的時(shí)間和技術(shù)支持，這意味著(zhù)需要更長(cháng)的開(kāi)發(fā)周期及更高的系統成本，這就使得系統制造商更難以從熟悉的 AC 馬達過(guò)渡到 BLDC 馬達。
然而，對于越來(lái)越多的制造商來(lái)說(shuō)，使用 BLDC 馬達產(chǎn)生的復雜性并不會(huì )隨著(zhù)市場(chǎng)對更節能家電需求的增加而有所抵銷(xiāo)。 2011 年 IMS 調查顯示，中國大約 40% 的空調采用了變頻控制 BLDC 馬達。這種情況呈上升趨勢，并且，在某種程度上，得助于因專(zhuān)為 BLDC 馬達控制而設計的專(zhuān)用電路。
無(wú)傳感器磁場(chǎng)導向控制技術(shù)
用于控制 BLDC 馬達的傳統方法采用的是驅動(dòng)定子的六步過(guò)程，由此在產(chǎn)生的轉矩上產(chǎn)生脈動(dòng)。所謂的「六步方波」過(guò)程采用霍爾效應傳感器來(lái)檢測 BLDC 馬達中的永磁位置。
六步過(guò)程相對簡(jiǎn)單，但容易產(chǎn)生噪音，并且對于需要根據條件的變化快速改變馬達轉速的更先進(jìn)應用來(lái)說(shuō)，其響應能力不足。以洗衣機為例，負載根據所選擇的洗滌周期有所不同，并且在整個(gè)周期過(guò)程中也有所變化。在滾筒式洗衣機中，這種情況更加復雜，當衣物旋轉到滾筒頂端時(shí)，重力會(huì )對馬達產(chǎn)生影響。
在這些情況下，需要一個(gè)更先進(jìn)的算法。磁場(chǎng)導向控制 (FOC) 能夠提供速度快速變化所需的響應時(shí)間，已成為當今更先進(jìn)節能家電的馬達控制方法選擇。
有多種方式可以實(shí)現 FOC。其中一個(gè)方法是使用傳感器(與六步方波過(guò)程方法類(lèi)似)，但傳感器較難以安裝和維護，尤其是在應用涉及復雜線(xiàn)束或馬達暴露在水中時(shí)。實(shí)現 FOC 更簡(jiǎn)單、更具成本效益的方法是取消傳感器。無(wú)傳感器 FOC 涉及由永久磁鐵在轉子上產(chǎn)生的恒定轉子磁場(chǎng)，是一種非常有效的控制方法。
FOC 方法可以讓馬達在全轉速范圍內順利運轉，在零速時(shí)產(chǎn)生最大轉矩，并能夠快速加速和減速。事實(shí)上，由于馬達的尺寸小、成本和功耗低，無(wú)傳感器 FOC 的諸多優(yōu)勢使其在對性能要求較低的應用中成為廣受歡迎的選擇。
特定應用解決方案
即便如此，實(shí)現無(wú)傳感器 FOC 需要復雜的數學(xué)算法，這對于普通設計人員來(lái)說(shuō)可能并不熟悉。在過(guò)去，設計師們通常依賴(lài)于復雜的數字訊號處理 (DSP) 芯片來(lái)實(shí)現無(wú)傳感器 FOC。以英飛凌的FCM8531為例，它為工程師們提供了專(zhuān)門(mén)的解決方案，使得開(kāi)發(fā)無(wú)傳感器 FOC 應用變得更為容易。
針對采用無(wú)傳感器磁場(chǎng)導向控制 (FOC) 的系統，快捷半導體提供了一種配置有并行核心處理器的特定應用控制裝置 FCM8531。 如圖 1 所示，FCM8531 由一個(gè)先進(jìn)馬達控制器 (AMC) 處理器和一個(gè) 8 位兼容 80C51 的 MCU 處理器組成。
圖二 ： FOC馬達控制 IC功能方塊圖(以FCM8531為例)
AMC 是一個(gè)專(zhuān)為馬達控制而設計的核心處理器。它整合了一個(gè)可配置的處理核心處理器和外圍電路，執行無(wú)傳感器 FOC 馬達控制。系統控制、用戶(hù)接口、通信接口和輸入/輸出接口均可通過(guò)嵌入式 80C51 MCU來(lái)針對不同的馬達應用進(jìn)行程序設計。
FCM8531 的并行核心處理器的優(yōu)勢是，兩個(gè)處理器可以獨立工作，相互補充。 AMC 處理專(zhuān)門(mén)用于馬達控制的任務(wù)，如馬達控制算法、PWM 控制、電流檢測、實(shí)時(shí)過(guò)電流保護和馬達角度運算。 嵌入式 MCU 通過(guò)通訊接口向 AMC 提供馬達控制命令，來(lái)執行馬達控制活動(dòng)。 復雜的馬達控制算法在 AMC 中執行，因此，這種方法可減少軟件負擔，并簡(jiǎn)化控制系統程序。
我們?yōu)橛脩?hù)提供可用于開(kāi)發(fā)軟件、編譯程序及進(jìn)行實(shí)時(shí)調試的馬達控制開(kāi)發(fā)系統 (MCDS) IDE 和 MCDS 編程工具。設計人員可從函式庫中選擇適合的函式，快速編譯程控功能和通訊協(xié)議，從而實(shí)現以前只能在高層次 DSP 上實(shí)現的效果。
結論
從能耗角度來(lái)看，消費類(lèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)設備從傳統的 AC 馬達過(guò)渡到體積更小、更為高效的 BLDC 馬達具有重大意義，但設計 BLDC 控制算法的復雜性阻止了工程師們實(shí)現這種過(guò)渡的積極性。為 BLDC 馬達控制而專(zhuān)門(mén)設計的專(zhuān)用 IC，如快捷半導體的 FCM8531，使開(kāi)發(fā)人員更易于采用 BLDC 馬達，有助于加快向更高效模式的過(guò)渡與轉換。 |
