在5G、物聯(lián)網(wǎng)光環(huán)之下，一個潛在的“黃金產(chǎn)業(yè)”的勢頭正在興起。數(shù)據(jù)顯示，我國智能家電市場規(guī)模正在迅猛增長，2020年達(dá)到5155億元，預(yù)計(jì)2021年將達(dá)到5760億元。而其中，BLDC（直流無刷電機(jī)）應(yīng)用在家電行業(yè)中需求量巨大，總年用量約10億臺，這是非常龐大的市場，許多企業(yè)也已逐漸入局。
日前，德州儀器（TI）為應(yīng)對傳統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換成BLDC電機(jī)面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，推出推出無需編程無傳感器磁場定向控制和梯形控制的70W BLDC電機(jī)驅(qū)動器，可節(jié)省數(shù)周系統(tǒng)設(shè)計(jì)時間。
“家中使用的電器產(chǎn)品越來越多，特別是在開放性空間設(shè)計(jì)流行之后，對更低噪聲、更高能效電器的需求日益增長”，德州儀器（TI）電機(jī)驅(qū)動器業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理Kannan Soundarapandian如是說。
從冰箱到料理機(jī)，噪音甚至能夠從40dBA到100dBA。因此，電機(jī)降噪至關(guān)重要。在電機(jī)降噪技術(shù)上常見三種方法。
其一，阻止傳播，從傳播路徑上進(jìn)行阻斷或吸音來阻止噪聲傳播；其二，改變噪聲，通過技術(shù)手段分析噪聲頻率和噪聲發(fā)源，利用心理聲學(xué)改變聲音；其三，從源頭上避免噪聲，這也是TI所最為推崇的方法。
數(shù)據(jù)顯示，全球幾近45%的能量被電機(jī)消耗掉了。因此，提高電機(jī)能效非常重要，同時全球在能效上均有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。BLDC是高效率的電機(jī)，從交流感應(yīng)電機(jī)過渡到BLDC電機(jī)可以降低功耗，但同時也會帶來三大挑戰(zhàn)。
其一，BLDC系統(tǒng)控制非常復(fù)雜，開發(fā)周期也會隨之拉長；其二，由于系統(tǒng)變得復(fù)雜，硬件電路板和器件也會增多，整體電路板尺寸也會增大，比如在設(shè)計(jì)BLDC電機(jī)驅(qū)動需要類似變頻器的電路板、進(jìn)行電流采樣、開關(guān)器件切換等；其三，設(shè)計(jì)周期延長提高了開發(fā)成本，電路板尺寸和器件的增多提高了材料成本。
BLDC在擁有降低噪聲和提高能效的“魔力”的同時，依然存在上述的挑戰(zhàn)。市場上新一代BLDC電機(jī)驅(qū)動逐漸無需變成開發(fā)，但普遍難以優(yōu)化性能或提供的性能不一致。另外，BLDC電機(jī)驅(qū)動器雖然集成度正在日益提高，但仍有許多亟待改善之處。
Kannan表示，TI推出的新產(chǎn)品逐一解決了BLDC驅(qū)動器的各種挑戰(zhàn)。其一，新產(chǎn)品無需編程，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，一個資深電氣工程師調(diào)諧電機(jī)花費(fèi)數(shù)周或者數(shù)月，全新產(chǎn)品能夠?qū)⒄{(diào)諧時間縮短為不到10分鐘；其二，產(chǎn)品采用實(shí)時控制加快系統(tǒng)響應(yīng)，假設(shè)產(chǎn)品搭載在吸塵器上時，碰到大的負(fù)載或障礙物吸力不會減少；其三，新產(chǎn)品擁有許多先進(jìn)設(shè)計(jì)，能夠從源頭上消除噪音。
新產(chǎn)品的具體型號是MCF8316A和MCT8316A，為70W BLDC電機(jī)驅(qū)動器，二者采用不同技術(shù)，前者為磁場定向控制（FOC），后者為梯形控制。與此同時，兩款新品均不需要傳感器，可以將整體方案尺寸減少70%。
為什么TI的芯片能夠如此大幅度減小尺寸？這是因?yàn)槠毡閬碚f，70W BLDC電機(jī)驅(qū)動全分立方案包含MCU、MOSFET功率器件、門極驅(qū)動三部分，這種情況下總元器件數(shù)需要28個，尺寸將近7平方厘米。如果將方案進(jìn)一步集成，便可獲得更少的器件和更小的面積。
而TI實(shí)際上是將三大功能全部集成在一款芯片之上，總元器件數(shù)降低為10個，尺寸降低到2平方厘米。MCF8316A和MCT8316A將六個40V、50mΩ MOSFET與柵極驅(qū)動器、電流和電壓感應(yīng)以及控制器一起集成到一個7mm x 5mm QFN封裝中，這些MOSFET排列在三個 -H橋中。
Kannan介紹，兩款芯片擁有一個共同的功能，即防止總線電壓的泵升。當(dāng)BLDC電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)且需快速降低速度時，此時電機(jī)會變成發(fā)電機(jī)，電機(jī)本身的能量會反灌到驅(qū)動器的總線上，這種情況下總線電壓會上升，總線電容、變頻器等部分MOS管會因過高電壓而燒毀。于是兩款芯片便內(nèi)置了這一先進(jìn)的功能，實(shí)時檢測總線電壓，同時動態(tài)調(diào)整降速的比例，始終保持總線電壓是安全的。通過這種方式，兩款芯片能夠在降低轉(zhuǎn)速的同時，又能保證總線電壓不超標(biāo)，且降速時間比傳統(tǒng)時間快50%。
兩款產(chǎn)品也各具特色，MCF8316A作為一款無傳感器磁場定向控制（FOC）電機(jī)驅(qū)動器，在電機(jī)啟動時能夠自動識別電機(jī)參數(shù)，解決參數(shù)不一致的擔(dān)憂，同時自動配置PI參數(shù)，無需工程師逐一修正；另外，該芯片可以通過自動死區(qū)時間不長，將噪聲降低多達(dá)2dbA。
除此之外，MCF8316A還提供了多種功能，使無傳感器磁場定向控制更容易，電機(jī)操作更一致。例如，電機(jī)參數(shù)提取工具 (MPET) 提供了一個內(nèi)置的、可離線運(yùn)行的實(shí)用程序來測量電機(jī)參數(shù)并自動將它們加載到設(shè)備中。TI發(fā)布了一個GUI，其中展示了調(diào)整優(yōu)化電機(jī)的每一步過程，可結(jié)合我們的評估模塊一起使用。閉環(huán)電機(jī)操作可通過寄存器設(shè)置進(jìn)行配置。多種啟動方式和廣泛的自定義選項(xiàng)使客戶能夠安全可靠地啟動和停止電機(jī)。
MCT8316A作為一款無傳感器梯形控制電機(jī)驅(qū)動器，可以簡化接口，由于自帶閉環(huán)控制，因此無需使用MCU，5個硬件接口即可實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)和扭矩的控制；能夠提供高達(dá)3.5kHz的電機(jī)速度；另外，芯片擁有經(jīng)過優(yōu)化的噪音設(shè)計(jì)，通過內(nèi)部先進(jìn)算法，工程師可以非常容易地降低噪音。
為什么無刷直流電機(jī)更加受到青睞？據(jù)悉，電器內(nèi)部電機(jī)在運(yùn)行時會發(fā)出噪聲，因此靠近人類的電器應(yīng)用可能會成為“麻煩事”。例如，吊扇必須完全靜音，空氣凈化器可以通過降低噪音使其運(yùn)行更加高效，從而打造更有區(qū)分度的產(chǎn)品。無刷直流電機(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�？刂频驮胍綦姍C(jī)非常困難，很多情況下必須使用接近正弦波的、非常干凈和平滑的電流來驅(qū)動電機(jī)。如果正弦波有任何失真，就會產(chǎn)生可聽噪聲。除此之外，還需要非常準(zhǔn)確地測量電機(jī)位置，以便正確驅(qū)動電機(jī)。
而從整個生命周期的成本來看，從交流感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換到BLDC頗具性價(jià)比。一方面，BLDC整體能效提升了10%-15%，相應(yīng)的可以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括散熱方面的成本；另一方面，BLDC電機(jī)整體生命周期更長，且從節(jié)能、能耗及生命周期上來講均具成本優(yōu)勢。
縱觀整個市場，很少有產(chǎn)品能像MCx一樣將功能進(jìn)行高度集成，且無需編程。此外，市場上沒有其他集成控制器解決方案可以實(shí)現(xiàn)70 W的功率傳輸。根據(jù)Kannan的介紹，兩款芯片應(yīng)用非常廣泛，由于能夠提取不同電機(jī)參數(shù)，可以廣泛應(yīng)用家電中諸如風(fēng)機(jī)、水泵、油泵、風(fēng)扇、吸塵器等。
除了MCF8316A和MCT8316A，TI還提供諸如C2000的MCU，可與電機(jī)驅(qū)動器（如DRV8316）一起使用，以實(shí)現(xiàn)分立式的布局。TI擁有豐富的控制、驅(qū)動和傳感產(chǎn)品組合，因此客戶可以為其應(yīng)用選擇合適的架構(gòu)�！拔覀兞私馐袌鲂枨笤诓粩喟l(fā)展，而TI通過利用多年的實(shí)時控制專業(yè)知識為該領(lǐng)域提供了更多的選擇”。
“我們將繼續(xù)擴(kuò)展我們的BLDC產(chǎn)品組合，包括控制器、驅(qū)動器和符合汽車安全等級認(rèn)證的柵極驅(qū)動器等產(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，客戶可以快速實(shí)現(xiàn)平滑、準(zhǔn)確的電機(jī)運(yùn)動，而不會影響系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)健性”，發(fā)布會的最后Kannan如是說。
|
