單相感應(yīng)馬達(dá)和單相無刷直流(BLDC)馬達(dá)已存在多年，廣泛部署于家用電器(如冰箱)、工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)及其他眾多應(yīng)用提供了一個(gè)相對(duì)便宜驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的方法。 雖然這類應(yīng)用的物料成本很低，但這是錯(cuò)誤的省錢方式，因?yàn)槠毡榇嬖谟隈R達(dá)的低能效工作意味著相關(guān)功耗將維持在高水平，因此電費(fèi)會(huì)更高。
此外，單相BLDC馬達(dá)產(chǎn)生的相當(dāng)大的噪聲所引起的麻煩也要列入考慮。 隨著更強(qiáng)勁的國(guó)際環(huán)境立法及更多的消費(fèi)者開始在意能效，都促進(jìn)過時(shí)的固定速度單相感應(yīng)馬達(dá)轉(zhuǎn)向可調(diào)速同步馬達(dá)發(fā)展。
節(jié)能需求增 三相無刷馬達(dá)需求增
精密三相BLDC馬達(dá)對(duì)于當(dāng)今更注重節(jié)能的時(shí)代變得越來越有吸引力。 這些組件毋需機(jī)械換向器(這對(duì)有刷馬達(dá)是必備條件)，因此機(jī)械不易磨損，從而可靠度更高、使用壽命更長(zhǎng)，也支持更高的能效水平。
為了產(chǎn)生表示正確的轉(zhuǎn)矩施加到磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)器必須能夠不斷確定轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子線圈的方向和位置，這當(dāng)然可以使用霍爾效應(yīng)辦到。 一個(gè)控制電路包括用于定位的三個(gè)霍爾傳感器(彼此之間相差120度)(圖1)，使其可用最佳性能驅(qū)動(dòng)BLDC馬達(dá)。 從這些傳感器中獲得的數(shù)據(jù)，表明轉(zhuǎn)子的位置。 利用精確的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的速度和轉(zhuǎn)矩控制，從而顯著提升單相馬達(dá)控制的能效。 光學(xué)編碼器提供了另一種獲得所需的位置回饋的方法，但這些都不是特別強(qiáng)固。 一般來說，這類組件不能應(yīng)對(duì)惡劣的應(yīng)用環(huán)境，在這些環(huán)境下，可能容易受沖擊、振動(dòng)或異物存在的影響。
圖1 三相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)設(shè)置 – 使用三個(gè)霍爾傳感器(左)；使用無傳感器方案(右)。
藉由微控制器單元(MCU)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子定位，利用測(cè)量當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體經(jīng)過時(shí)各定子繞組的反電勢(shì)，可以采用無傳感器控制方法，毋需像以前那樣依賴霍爾傳感器技術(shù)。
特別是隨著微MCU的價(jià)格持續(xù)下降，近年來這種無傳感器法已經(jīng)獲得越來越多關(guān)注。 它產(chǎn)生了更簡(jiǎn)化緊湊的系統(tǒng)，須要指定的組件更少，并大大減少占板面積，采用這種結(jié)構(gòu)組裝的馬達(dá)能更好地解決現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)所帶來的嚴(yán)格空間和預(yù)算限制。
解決MCU部署困境 無軟件控制技術(shù)趁勢(shì)崛起
雖然這一切聽起來都很有優(yōu)勢(shì)，但仍然有MCU部署的問題。 尤其是現(xiàn)在，在要求安靜、平滑的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，簡(jiǎn)單的梯形驅(qū)動(dòng)波形開始被更先進(jìn)的正弦波形替代(從而使馬達(dá)運(yùn)行速度更快、更平滑，以及降低功耗)。
無傳感器馬達(dá)控制須要開發(fā)本質(zhì)上復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在許多情況下，有可能會(huì)超出經(jīng)驗(yàn)較不豐富的工程師能力范圍，甚至也可能考驗(yàn)一些經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)豐富的工程專業(yè)人員的能力。
深入的軟件開發(fā)和代碼生成的知識(shí)幾乎是必須的。 此外，可能須要評(píng)估然后根據(jù)馬達(dá)的物理/電氣特性隨后調(diào)整一系列不同參數(shù)的能力，例如，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，利用這種方法產(chǎn)生足夠的反電勢(shì)以控制馬達(dá)所需的速度將各不相同。 所有這一切不僅為項(xiàng)目所分配的工程團(tuán)隊(duì)帶來明顯的壓力，還有可能延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期，從而耽擱了產(chǎn)品推出。
現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了三相馬達(dá)控制的替代策略，此種方式?jīng)]有部署傳統(tǒng)光電編碼器傳感器的高成本的影響，或配合無傳感器、以微控制器為中心的方案的復(fù)雜軟件開發(fā)工作。 有了這種新的方法，馬達(dá)依賴于一個(gè)單一的霍爾傳感器。
這產(chǎn)生一個(gè)時(shí)序訊號(hào)，以用計(jì)數(shù)器硬件測(cè)得的脈沖為周期。 這可以用來獲得馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，基于這個(gè)序列，硬件能夠產(chǎn)生一個(gè)PWM脈沖產(chǎn)生一定的電壓水平，建立有關(guān)查找數(shù)據(jù)表的正弦電壓波形的一部分。 這意味著，一個(gè)特定的正弦電壓激勵(lì)周期是由前一周期到下一控制周期的結(jié)果確定。
因此，毋須進(jìn)行軟件開發(fā)，或沒有一般伴隨參數(shù)調(diào)整的困難。 推出這類「免」軟件的部署，毋需MCU，意味著現(xiàn)代風(fēng)機(jī)系統(tǒng)所需的BLDC馬達(dá)可以更簡(jiǎn)單快速的實(shí)施。 從而可看到三相BLDC工作的低噪聲和高能效優(yōu)勢(shì)，沒有以前需要克服的技術(shù)障礙的顧慮。
基于這種方法，以安森美半導(dǎo)體為例，該公司已開發(fā)出開創(chuàng)性的三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC--LV8813，能夠提供現(xiàn)在很多任務(wù)程師所需的無軟件控制。
滿足無軟件控制需求 電源IC業(yè)者新銳出
此一馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器IC能夠顯著簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，且不需要復(fù)雜的MCU控制(圖2)。
圖2 無軟件三相馬達(dá)控制采用LV8813驅(qū)動(dòng)器IC。
該IC只需要單個(gè)組件，而不是三個(gè)霍爾傳感器來獲取轉(zhuǎn)子位置。 速度回饋控制功能已嵌入LV8813及額外的速度調(diào)節(jié)器IC–安森美半導(dǎo)體的LB8503，以支持馬達(dá)以精確和響應(yīng)控制的速度運(yùn)行。 從連接的熱敏電阻或電位器獲得的電壓電平數(shù)據(jù)有助于控制馬達(dá)的速度。 引線角度控制參數(shù)可通過電壓輸入配置，以說明最大限度地提高驅(qū)動(dòng)能效，并隨后通過該IC的外部引腳調(diào)整(圖3)。
圖3 LV8813馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器IC的功能模塊框圖
此外，該組件根據(jù)電機(jī)的物理特性和應(yīng)用的負(fù)載特性優(yōu)化功耗。 它提供了一個(gè)比采用180度換向的競(jìng)爭(zhēng)IC更高的最大電流規(guī)格和更低的導(dǎo)通電阻。 采用20引腳的TSSOP封裝，尺寸僅6.95mm× 4.4mm，該緊湊組件適用于家電、投影機(jī)、桌面計(jì)算機(jī)等設(shè)備的冷卻風(fēng)扇。
測(cè)試表明，正弦驅(qū)動(dòng)比傳統(tǒng)的梯形驅(qū)動(dòng)降低了噪音及震動(dòng)。 由于需要的嵌入式系統(tǒng)并不十分復(fù)雜，縮短了上市時(shí)間，并支持分配更少的開發(fā)資源。
上述功能讓工程師們能快速實(shí)現(xiàn)，且在工作量可負(fù)荷的情況之下，處理時(shí)間緊迫而成本敏感的消費(fèi)類應(yīng)用，這也意味著OEM廠商可將更高能效和更低噪聲的產(chǎn)品推到市場(chǎng)，同時(shí)也減少開發(fā)成本/時(shí)間。
無軟件控制助力 三相BLDC馬達(dá)困境迎刃解
多年來，用于冰箱等應(yīng)用的各種驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇馬達(dá)的方法都會(huì)在性能或設(shè)計(jì)兩者間折衷。 雖然三相BLDC的方案從能效、功耗、噪聲、磨損和特定部署的耗損等標(biāo)準(zhǔn)角度來看，提供了比單相設(shè)計(jì)重要的優(yōu)勢(shì)，但也產(chǎn)生了一系列新的潛在問題，像是需要傳感器或光電編碼器，或在無傳感器實(shí)施的情況下，需要復(fù)雜和令人費(fèi)解的軟件開發(fā)。
不過，隨著能夠提供無軟件控制的先進(jìn)三相BLDC馬達(dá)驅(qū)動(dòng)IC的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了風(fēng)扇馬達(dá)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，而不影響控制、能效和可靠性等其他重要性能。
(本文作者皆任職于安森美)
