未來電機的創(chuàng)新設(shè)計滿足節(jié)能趨勢

未來電機的創(chuàng)新設(shè)計滿足節(jié)能趨勢

隨著節(jié)能成為全球范圍關(guān)注的焦點，電機設(shè)計的能效也日益成為一個引人關(guān)注的問題。電機驅(qū)動產(chǎn)品不斷配合行業(yè)發(fā)展的趨勢，幫助設(shè)計人員提升能效、降低能耗、提高可靠性、減少元件數(shù)量等等，在實現(xiàn)節(jié)能方面發(fā)揮著積極的作用。

電機市場發(fā)展趨勢

        歷經(jīng)百年的發(fā)展，電機的應(yīng)用領(lǐng)域已非常廣泛。安森美半導(dǎo)體的電機驅(qū)動產(chǎn)品覆蓋的汽車及工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用，正是電機市場主要趨勢的一個縮影。

        首先是汽車電氣化的趨勢，即汽車制造商用集成的高能效電機替代傳統(tǒng)內(nèi)燃引擎動力，通常是用無刷直流(BLDC)電機替代皮帶和齒輪驅(qū)動，用于引擎蓋下的輔助元件，如泵、閥、供暖及空調(diào)、風(fēng)扇等。由于BLDC電機具有相當(dāng)優(yōu)異的性能，也開始進入傳統(tǒng)上采用有刷直流(BDC)電機方案的其他應(yīng)用。流量計 | 采樣儀 | VOC檢測儀 | 功率計 | 變送器 | 粘度計 | 密度計 | 工具包 | 電力分析儀 | 水份儀 | 電阻測試儀 | 測試器 | 鹽度計 | 探傷儀 | 扁嘴鉗 | 轉(zhuǎn)換器 | 風(fēng)速計

        另一個趨勢是應(yīng)用裝配率的提升增加了電機的安裝數(shù)量，如電機化供暖通風(fēng)空調(diào)(HVAC)氣瓣控制(主要用于有刷直流及單極步進電機)也開始應(yīng)用于較低端汽車的HVAC系統(tǒng)。

        BLDC電機在工業(yè)及電信中的應(yīng)用也越來越普遍。典型應(yīng)用包括風(fēng)扇、鼓風(fēng)機、泵及壓縮機。BLDC電機的能效比交流電機或開關(guān)磁阻電機更高。BLDC電機能實現(xiàn)低成本變速應(yīng)用，特別是用于集成了無傳感器換相算法，從而能夠省卻外部傳感器。

節(jié)能趨勢對電機驅(qū)動應(yīng)用的新要求

        能源成本通常是電機整個壽命周期成本最主要的部分。因此，采用更高效的電機可以節(jié)約大量能源。

        節(jié)能趨勢對電機驅(qū)動的新要求包括幾個方面，其一，能效是由所選擇的電機技術(shù)及電機結(jié)構(gòu)決定的，因此要求選擇能將電能轉(zhuǎn)換為機械能的比例提升至最高的電機。其次，要選擇可以將驅(qū)動器的功耗降至最低并提高能效的驅(qū)動電路。其三，要通過提升電機驅(qū)動智能來實現(xiàn)優(yōu)化的能耗方案。

          此外，一些應(yīng)用還要求系統(tǒng)中不使用有刷電機(使用步進或無刷直流電機)；而使用無傳感器換相(不使用電位計或霍爾傳感器反饋)、嵌入運動控制算法(用于低動力應(yīng)用)，將能效提到最高，降低可聽噪聲，改善電磁干擾(EMC)性能等。另外，還有一些應(yīng)用需要將驅(qū)動電路與電機緊鄰布設(shè)在機電致動器上，并通過總線(LIN、I2C等)連接至中央控制單元。

安森美半導(dǎo)體提高電機設(shè)計能效的創(chuàng)新解決方案

        在快速、精確及動態(tài)的動作控制應(yīng)用中，步進電機是越來越普及的一種選擇。隨著電機技術(shù)的發(fā)展，智能驅(qū)動器/控制器專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)也涌現(xiàn)出來，能夠高效地驅(qū)動這些電機。這些器件為設(shè)計人員提供了更加靈活的方案，開創(chuàng)了創(chuàng)新功能的空間，并發(fā)現(xiàn)了許多新的應(yīng)用。

1. 雙極步進電機驅(qū)動及控制器
 
        安森美半導(dǎo)體開發(fā)的AMIS-3062x系列的AMIS-30623就是高效驅(qū)動機電致動器中的雙極步進電機的驅(qū)動及控制器。這款產(chǎn)品嵌入了專用有限狀態(tài)機及針對先進前照燈系統(tǒng)(AFS)系統(tǒng)要求定制的本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)指令集。該器件集成了非傳感控制檢測功能，能提高可靠性，減少元件數(shù)量和板上空間，降低產(chǎn)品成本。AMIS-30623專為遠程及多軸定位應(yīng)用而設(shè)計，非傳感控制檢測功能的設(shè)計者能輕易完成精確的定位校準(zhǔn)及半封閉式的循環(huán)操作。

        AMIS-30623的LIN接口使其適用于需要連接遠程LIN主機的機械電子解決方案。這款產(chǎn)品的目標(biāo)應(yīng)用包括前照燈級測量、自動HVAC設(shè)計、監(jiān)控攝像頭控制、專業(yè)照明設(shè)備及工業(yè)機器人等。AMIS-30623的工作溫度均為-40℃至125℃，可傳輸高達800 mA的可編程電流。芯片上的定位控制器可依監(jiān)控類型、定位范圍和參數(shù)的不同而修改配置。這款產(chǎn)品還具備電流保持特性。圖1是AMIS-30623的框圖。
 

         安森美半導(dǎo)體的AMIS-30624步進電機驅(qū)動器也可用于可移動式拍攝全景-上下擺動-放焦變大(PTZ)保安攝像機應(yīng)用。該器件通過I2C總線以簡單的微控制器驅(qū)動3個電機。該拓撲結(jié)構(gòu)支持極緊湊的攝像機設(shè)計，有助于降低成本及提供精確的工作。

        AMIS-3062x單芯片解決方案的核心是一個數(shù)字運動控制器和一個H橋布局的50mA至800mA雙極兩相步進電機驅(qū)動器。這種驅(qū)動器提供微步進(micro-stepping)操作，因此不再需要在速度、噪聲和共振導(dǎo)致的失步(step loss)之間進行權(quán)衡。運動控制器提供可編程峰值電流，采用20kHz PWM電流控制方案。它還集成了系統(tǒng)通信接口，有LIN或I2C接口可供選擇。在包括汽車工業(yè)在內(nèi)的遠程或分布式應(yīng)用中，LIN架構(gòu)可以減少布線和改善EMC性能。配有I2C的器件更適合在獨立PCB上與本地微處理器一起用作外圍設(shè)備。

        該系列器件的主要優(yōu)點是，所有針對應(yīng)用的運動控制功能都可以在廠內(nèi)進行預(yù)編程，明顯減少了工程師的編碼工作。如果選擇器件的閃存版本，還可以在開發(fā)應(yīng)用及之后測試和調(diào)試軟件時進行再編程。這將顯著加快設(shè)計更新的速度。

2. 步進電機的精確動態(tài)控制

       隨著步進電機出現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用場合，設(shè)計人員也在繼續(xù)追求高精度的定位。此外，其高能效、高性能及逐漸縮小的尺寸等特性，也使其對紡織機、機器人、計算機數(shù)控銑雕機等設(shè)備的吸引力與日俱增。安森美半導(dǎo)體的AMIS-305xx系列就是用于需要精確動態(tài)控制步進電機系統(tǒng)的ASSP，它能夠以SPI接口提供可變電機電流控制，進而實現(xiàn)精確的動態(tài)控制。

        AMIS-305xx系列集成了轉(zhuǎn)換器，將連續(xù)步長轉(zhuǎn)換為所需的線圈電流(可通過查找表或其他方式)。該系列還集成了采用H橋配置的驅(qū)動器晶體管、反激二極管、經(jīng)PWM的片上穩(wěn)流，以及多種保護電路。圖2是AMIS-30522應(yīng)用框圖。
 

        該系列IC包含兩個內(nèi)置H橋，能夠以最高達1600mA的電流驅(qū)動雙相步進電機。速度和負載角輸出使主微控制器能夠檢測阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和運行結(jié)束狀況，而無需額外的開關(guān)、霍爾(Hall)傳感器或光學(xué)編碼器。除了停轉(zhuǎn)檢測，這些功能還允許設(shè)計人員為微控制器編程，以計算轉(zhuǎn)子位置，并按要求動態(tài)調(diào)節(jié)電流或速度，以防止失步。它還完美實現(xiàn)了微步進，能夠消除終點停止的噪聲和震動，并在無需添加元件的情況下提升運動控制的精確度和可靠性。

        在構(gòu)建加工、汽車、安全和建筑自動化應(yīng)用時，工程師不必再擔(dān)心運動算法中的動力學(xué)設(shè)計，因為這些均已嵌入在ASSP中。他們只需設(shè)計電機的總體運動，而相關(guān)IC可以實現(xiàn)無傳感器失速檢測等先進特性，從而更進一步簡化設(shè)計人員的工作，加快產(chǎn)品上市時間。此外，這些新的微型步進電機驅(qū)動器還可使設(shè)計人員用最少的元件和最低的材料成本快速而簡便地完成動態(tài)運動應(yīng)用。

3. 其他電機驅(qū)動控制解決方案

        安森美半導(dǎo)體的NCV770x系列驅(qū)動器也常用于驅(qū)動HVAC電子控制單元中的氣瓣。這個系列半橋驅(qū)動器提供了高性價比的方案，可以用串聯(lián)或并聯(lián)方式驅(qū)動多個有刷直流電機，同時也完全滿足了壽命周期內(nèi)可靠性、診斷、電池供電瞬態(tài)等方面的最新汽車標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

        高效節(jié)能是一個總的趨勢，電機驅(qū)動器也正趨于成為大批量通用產(chǎn)品，而降低每個電機驅(qū)動器的成本及減小方案尺寸則是主要的動力。市場將會在高效的控制方式和成本之間獲得一個動態(tài)平衡。

        根據(jù)戰(zhàn)略重點和對系統(tǒng)需求的理解，尤其是客戶的需求，安森美半導(dǎo)體采用定制方法為客戶提供從ASSP到客戶專用集成電路(ASIC)的不同方案。這些解決方案將幫助中國市場上的消費電子、工業(yè)控制和汽車電子領(lǐng)域的電機應(yīng)用設(shè)計人員獲得更高的效率、更長的壽命、更佳的故障控制，使電機逐步實現(xiàn)了小型化、高效率、低噪聲和更高的可靠性。