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模型展會如何經濟高效地過渡到您的應用的BLDC無刷直流電機
文章出處：x-teamrc.cn? ?人氣：? ?發表時間：2018-11-12 23:07
半導體集成的各種選擇為基于同步電機的分布式智能小型驅動解決方案開辟了越來越多的應用。這些包括無刷直流電機（BLDC），永磁同步電機（PMSM）和步進電機。由于它們的技術優勢和提高的效率，這些類型的電動機正在許多現有應用中取代刷式電動機。汽車就是一個很好的例子。
通常，汽車部件必須支持低系統成本，小巧，輕便和可靠，并且顯示出高效率。減少廢氣排放和降低燃料消耗也很重要。對與各種電機配合使用的驅動概念的需求，以及對效率，系統設計和網絡選項的極端要求對執行器電子元件產生了重大影響。
? 他BLDC電機市場
美國有很多BLDC制造商。大多數公司仍然專注于電刷技術，如刷式直流電機，步進電機等。但其中許多公司正在建立BLDC電機作為新產品開發的基礎。即使有許多BLDC電機制造商，特別是小型BLDC電機，市場上也沒有那么多的集成控制電子解決方案。能夠制造內置集成智能電子設備的BLDC電機以及低成本方法的公司仍然不容易找到。
BLDC電機技術的采用水平正在提高。許多汽車功能，如燃油或水泵，HVAC（暖通空調和空調），曲線燈，前照燈調平等等，都從刷式直流電機或步進電機技術轉變為BLDC電機技術。是的，這并不能說明所有有刷直流電機或步進電機都會轉換為BLDC電機技術。但是，與電機本身的價格相比，控制電機的電子設備太昂貴的主要論點每天變得越來越不合理。此外，BLDC電機的優勢可以顯著增強其他系統屬性（參見表1）。因此可以預見到智能運動控制的演變。
無刷直流電機的優勢
與競爭對手的電機技術相比，BLDC電機具有幾個優點，如表1所示。
? 能夠1 ：的無刷直流電動機的優點總結
P 從電刷式直流電動機向BLDC電機的過渡roblems？
在研究包括有刷式直流電機（BDC）的運動控制系統時，很明顯，與BLDC電機相比，控制不那么復雜。簡而言之：您只需向電機施加電壓即可開始移動。在BLDC電機控制系統設計方面經驗不足的工程師經常擔心，即使他們了解優勢，他們也很難轉換為BLDC電機技術。復雜的電子設備和這種系統的編程被認為是一個障礙。此外，由于電子換向而導致的較高系統成本通常被視為一種顯示器。
但是，從BDC到BLDC的過渡并不一定困難。通過使用Micronas HVC 4223F單芯片解決方案，電子電路可以非常簡單。
在下面的示例中，解決方案是一個僅需要13個組件的解決方案，包括HVC 4223F本身。例如，如果系統已經包含PCB，則對BOM的影響是適中的。在許多情況下，由于更高的效率，可以使用更小的電動機。執行器也可以更小，進一步降低材料成本（電機，外殼，齒輪等）。此外，帶有HVC 4223F的BLDC控制系統可以通過外部行為類似BDC電機的方式進行編程，僅包含VBAT和接地電源作為連接。因此，可以在不改變整個系統設計的情況下升級現有的運動控制系統。從長遠來看，系統可以得到改進，例如使用網絡和/或診斷功能等。
單芯片架構，可實現最大程度的系統集成和靈活的驅動系統
新的Micronas高壓控制器（HVC）允許具有高度集成的電機驅動電子設備的系統實現現代永磁勵磁直流電機的性能潛力。HVC 4223F是一個集成的微型計算機系統，具有所有必要的外圍模塊，可直接驅動PMSM / BLDC電機和雙極步進電機。外圍模塊和用戶定義軟件的編程能力允許最佳地適應不同驅動系統的屬性和屬性。
通過PMSM / BLDC電機的低功率/重量比（W / kg）實現的驅動解決方案中集成密度的增加會影響功耗（功率/熱管理），驅動電路的靈活性和所選驅動器，以及診斷的選項。電子器件的高集成密度需要通過目標指定的電源管理來調整熱操作條件。新的HVC系列提供了許多功能，可以精確地進行這種調整。
甲djusted馬達激活用于不同應用和工作模式
在汽車執行器中使用不同的驅動概念需要容易地調整電動機電橋和如何激活電橋。HVC 4223F通過可配置的最終輸出級，完全集成的可編程外設模塊和功能強大的ARMCortex®-M3®內核精確解決了這一問題。集成了六個n / n半橋（包括充電泵）。這些可以通過輸出引腳的適當接線電路和軟件配置適應電機類型。
EPWM模塊（增強型脈沖寬度調制）支持不同工作模式和電機類型的無源和有源續流電流模式（“異步/同步整流”）（見表2）。集成電流測量和D / A轉換器允許編程標稱電流值（例如，用于電流控制的微步進）。在PMSM / BLDC電機中，不使用傳感器，轉子位置的反饋信號可以通過比較器和集成的星點參考，或者通過霍爾效應傳感器/編碼器發送。而且，可以選擇步進電機的換向操作模式，例如用于實現更高的旋轉速度。使步進電機適應不同的操作模式（全步/半步，波驅，微步，
表2 ：使用新HVC概述電機類型和操作模式
使用ARM Cortex-M3 CPU可以快速執行速度和電流控制算法 - 由高速A / D轉換器和可調節信號路徑支持，用于電壓和電流測量。輸出級包括過載保護（過壓/過流）和診斷功能。用于電機激活的集成外圍模塊（EPWM，比較器，星點參考，D / A轉換器，診斷和過壓/過電流保護，溫度監控）可針對表中列出的操作模式進行編程。
使用ARM Cortex-M3 CPU的高效系統
CPU和閃存通過軟件實現極高的系統靈活性，例如用于轉速和電流控制的實時要求，分布式執行器系統（例如LIN集群）中的通信和診斷功能。主振蕩器已經集成。可以降低CPU周期以降低功耗或功耗，而不會影響外設功能。為減少電磁輻射，還包括EMI降低模塊（ERM）。所有外圍模塊都可以通過AHB / APB總線系統進行編程，并且可以根據系統要求進行調整。集成的NVRAM允許存儲診斷和應用程序數據。
對于電源，HVC系列直接通過12伏車載電氣系統供電，并符合ISO 7337測試脈沖。啟動 - 停止系統由特殊的“保留模式”支持。與傳統線性穩壓器相比，集成開關穩壓器（降壓轉換器）可最大限度地降低功耗。節能模式提供低功耗，例如用于K1.30應用。外部負載（例如霍爾傳感器）可通過可編程高側開關提供。
對于分布式小型驅動系統（例如HVAC系統）中的通信，LIN-UART和LIN物理層集成在HVC中。此外，第二個LIN引腳可用于LIN集群，具有自動尋址功能，，例如HVAC閥門應用。所描述的系統集成和網絡能力是進一步小型化和微型電動機小型化和集成的重要一步。
驅動系統的可靠性受所用驅動電子設備的影響。新型HVC的結構包括廣泛的診斷和保護功能，SPFM大于60％（“ASIL就緒”）。這對于在系統級別根據ISO 26262進行分解很重要，也就是說，對于單個和獨立系統元件的安全和安全要求的分配，并且可以在系統，硬件和軟件級別執行。
由于組件數量減少，高系統集成對所需的系統FIT（FIT =時間故障）率具有積極影響。
靈活診斷的一個很好的例子是在軟件中實施“熱管理”。
圖1 ：BLDC電機中的電子集成
通過評估電流和溫度，可以采取措施來適應運行曲線，例如減少CPU周期，限制電機電流，調整電機橋中的續流電流模式等。
新型HVC 4223F采用小型40引腳QFN 6x6 mm封裝，非常適合小型化和電子元件集成到電機或執行器中。此外，“裸露焊盤”（ePAD）可確保良好的熱連接。結溫范圍為-40°C至+ 150°C，集成的過溫監控功能可用于溫度關鍵應用。
BLDC電機定位執行器的應用實例
用于定位應用的機械致動器通常必須提供高扭矩（例如，在閥門，襟翼等中）。通常，齒輪用于在負載下獲得低轉速，由于摩擦而引入相當大的損失。在許多情況下，執行器必須施加穩定的保持扭矩，并且執行器不應失去其最后位置以避免校準運行。由于重量減輕和空間限制，電機和電子幾何結構起著重要作用。該示例描述了單芯片電機執行器的解決方案，HVC 4223F通過LIN通信接口驅動無傳感器六步換向的BLDC電機。圖2顯示了通過HVC 4223F單芯片解決方案集成完整電子元件的閥門執行器的原理系統。
表3 ：使用HVC 4223F概述所使用的外圍功能
硬件 - 軟件交互和電路解決方案
硬件和軟件在運動控制系統內的有效交互取決于可用芯片外圍設備的特定功能的分布。表3總結了圖2中系統的可能方法，該方法采用無傳感器六步換向，包括轉速和電流控制，診斷和通信堆棧功能。軟件架構可以是例如具有中斷的簡單循環。
圖2 ：使用BLDC電機的示例系統
該系統的基本電路解決方案如圖3所示。電機的外部元件數量可減少到最少12個元件（參見圖3中的表格）。在特殊系統ESD和/或EMC要求的情況下，可能需要一些額外的組件，如鐵氧體磁珠等，例如在DC電源鏈路或LIN信號路徑中。
圖3：原理電路解決方案
結論
由于電子設備成本下降，使用BLDC電機技術的小型電機驅動解決方案的數量將增加。Micronas高度集成的單芯片HVC 4223F解決方案是該開發的推動者。
電機的多樣性和功能將增加，包括智能驅動器之間的聯網。此外，必須滿足更輕的重量，更小的尺寸，更高的功率密度和更低的成本的要求。使用過的電機需要體積小，重量輕，用于分布式LIN總線網絡。
由于可以使用單芯片解決方案開發微型電機的完整平臺，因此可以縮短設計時間。通過調整軟件可以實現針對不同電機類型和屬性的調整。今天的刷式直流電機解決方案可以通過BLDC電機系統1：1更換，在外部看起來像傳統電機，但內部提供實現智能運動控制所需的所有優勢。
自我診斷和功能安全越來越重要。具有“集成智能”的驅動器通過電子設備可以提供此診斷功能。例如，電機的屬性可能會隨著使用壽命而改變。這些效果可以通過電子設備跟蹤和存儲，并在一定程度上進行調整。
調整軟件可以解決大量功能和應用程序。客戶只需一種 類型的控制器即可有效地配備完整的執行器平臺 。少量的分立元件和高集成度提供了高度的小型化，并且具有經濟的解決方案，具有現代類型電動機的優點和益處。硬件和軟件的高度可重用性允許快速響應客戶需求的變化。
通常，汽車部件必須支持低系統成本，小巧，輕便和可靠，并且顯示出高效率。減少廢氣排放和降低燃料消耗也很重要。對與各種電機配合使用的驅動概念的需求，以及對效率，系統設計和網絡選項的極端要求對執行器電子元件產生了重大影響。
? 他BLDC電機市場
美國有很多BLDC制造商。大多數公司仍然專注于電刷技術，如刷式直流電機，步進電機等。但其中許多公司正在建立BLDC電機作為新產品開發的基礎。即使有許多BLDC電機制造商，特別是小型BLDC電機，市場上也沒有那么多的集成控制電子解決方案。能夠制造內置集成智能電子設備的BLDC電機以及低成本方法的公司仍然不容易找到。
BLDC電機技術的采用水平正在提高。許多汽車功能，如燃油或水泵，HVAC（暖通空調和空調），曲線燈，前照燈調平等等，都從刷式直流電機或步進電機技術轉變為BLDC電機技術。是的，這并不能說明所有有刷直流電機或步進電機都會轉換為BLDC電機技術。但是，與電機本身的價格相比，控制電機的電子設備太昂貴的主要論點每天變得越來越不合理。此外，BLDC電機的優勢可以顯著增強其他系統屬性（參見表1）。因此可以預見到智能運動控制的演變。
無刷直流電機的優勢
與競爭對手的電機技術相比，BLDC電機具有幾個優點，如表1所示。
? 能夠1 ：的無刷直流電動機的優點總結
P 從電刷式直流電動機向BLDC電機的過渡roblems？在研究包括有刷式直流電機（BDC）的運動控制系統時，很明顯，與BLDC電機相比，控制不那么復雜。簡而言之：您只需向電機施加電壓即可開始移動。在BLDC電機控制系統設計方面經驗不足的工程師經常擔心，即使他們了解優勢，他們也很難轉換為BLDC電機技術。復雜的電子設備和這種系統的編程被認為是一個障礙。此外，由于電子換向而導致的較高系統成本通常被視為一種顯示器。
但是，從BDC到BLDC的過渡并不一定困難。通過使用Micronas HVC 4223F單芯片解決方案，電子電路可以非常簡單。
在下面的示例中，解決方案是一個僅需要13個組件的解決方案，包括HVC 4223F本身。例如，如果系統已經包含PCB，則對BOM的影響是適中的。在許多情況下，由于更高的效率，可以使用更小的電動機。執行器也可以更小，進一步降低材料成本（電機，外殼，齒輪等）。此外，帶有HVC 4223F的BLDC控制系統可以通過外部行為類似BDC電機的方式進行編程，僅包含VBAT和接地電源作為連接。因此，可以在不改變整個系統設計的情況下升級現有的運動控制系統。從長遠來看，系統可以得到改進，例如使用網絡和/或診斷功能等。
單芯片架構，可實現最大程度的系統集成和靈活的驅動系統
新的Micronas高壓控制器（HVC）允許具有高度集成的電機驅動電子設備的系統實現現代永磁勵磁直流電機的性能潛力。HVC 4223F是一個集成的微型計算機系統，具有所有必要的外圍模塊，可直接驅動PMSM / BLDC電機和雙極步進電機。外圍模塊和用戶定義軟件的編程能力允許最佳地適應不同驅動系統的屬性和屬性。
通過PMSM / BLDC電機的低功率/重量比（W / kg）實現的驅動解決方案中集成密度的增加會影響功耗（功率/熱管理），驅動電路的靈活性和所選驅動器，以及診斷的選項。電子器件的高集成密度需要通過目標指定的電源管理來調整熱操作條件。新的HVC系列提供了許多功能，可以精確地進行這種調整。
甲djusted馬達激活用于不同應用和工作模式
在汽車執行器中使用不同的驅動概念需要容易地調整電動機電橋和如何激活電橋。HVC 4223F通過可配置的最終輸出級，完全集成的可編程外設模塊和功能強大的ARMCortex®-M3®內核精確解決了這一問題。集成了六個n / n半橋（包括充電泵）。這些可以通過輸出引腳的適當接線電路和軟件配置適應電機類型。
EPWM模塊（增強型脈沖寬度調制）支持不同工作模式和電機類型的無源和有源續流電流模式（“異步/同步整流”）（見表2）。集成電流測量和D / A轉換器允許編程標稱電流值（例如，用于電流控制的微步進）。在PMSM / BLDC電機中，不使用傳感器，轉子位置的反饋信號可以通過比較器和集成的星點參考，或者通過霍爾效應傳感器/編碼器發送。而且，可以選擇步進電機的換向操作模式，例如用于實現更高的旋轉速度。使步進電機適應不同的操作模式（全步/半步，波驅，微步，
表2 ：使用新HVC概述電機類型和操作模式
使用ARM Cortex-M3 CPU可以快速執行速度和電流控制算法 - 由高速A / D轉換器和可調節信號路徑支持，用于電壓和電流測量。輸出級包括過載保護（過壓/過流）和診斷功能。用于電機激活的集成外圍模塊（EPWM，比較器，星點參考，D / A轉換器，診斷和過壓/過電流保護，溫度監控）可針對表中列出的操作模式進行編程。
使用ARM Cortex-M3 CPU的高效系統
CPU和閃存通過軟件實現極高的系統靈活性，例如用于轉速和電流控制的實時要求，分布式執行器系統（例如LIN集群）中的通信和診斷功能。主振蕩器已經集成。可以降低CPU周期以降低功耗或功耗，而不會影響外設功能。為減少電磁輻射，還包括EMI降低模塊（ERM）。所有外圍模塊都可以通過AHB / APB總線系統進行編程，并且可以根據系統要求進行調整。集成的NVRAM允許存儲診斷和應用程序數據。
對于電源，HVC系列直接通過12伏車載電氣系統供電，并符合ISO 7337測試脈沖。啟動 - 停止系統由特殊的“保留模式”支持。與傳統線性穩壓器相比，集成開關穩壓器（降壓轉換器）可最大限度地降低功耗。節能模式提供低功耗，例如用于K1.30應用。外部負載（例如霍爾傳感器）可通過可編程高側開關提供。
對于分布式小型驅動系統（例如HVAC系統）中的通信，LIN-UART和LIN物理層集成在HVC中。此外，第二個LIN引腳可用于LIN集群，具有自動尋址功能，，例如HVAC閥門應用。所描述的系統集成和網絡能力是進一步小型化和微型電動機小型化和集成的重要一步。
驅動系統的可靠性受所用驅動電子設備的影響。新型HVC的結構包括廣泛的診斷和保護功能，SPFM大于60％（“ASIL就緒”）。這對于在系統級別根據ISO 26262進行分解很重要，也就是說，對于單個和獨立系統元件的安全和安全要求的分配，并且可以在系統，硬件和軟件級別執行。
由于組件數量減少，高系統集成對所需的系統FIT（FIT =時間故障）率具有積極影響。
靈活診斷的一個很好的例子是在軟件中實施“熱管理”。
圖1 ：BLDC電機中的電子集成通過評估電流和溫度，可以采取措施來適應運行曲線，例如減少CPU周期，限制電機電流，調整電機橋中的續流電流模式等。
新型HVC 4223F采用小型40引腳QFN 6x6 mm封裝，非常適合小型化和電子元件集成到電機或執行器中。此外，“裸露焊盤”（ePAD）可確保良好的熱連接。結溫范圍為-40°C至+ 150°C，集成的過溫監控功能可用于溫度關鍵應用。
BLDC電機定位執行器的應用實例
用于定位應用的機械致動器通常必須提供高扭矩（例如，在閥門，襟翼等中）。通常，齒輪用于在負載下獲得低轉速，由于摩擦而引入相當大的損失。在許多情況下，執行器必須施加穩定的保持扭矩，并且執行器不應失去其最后位置以避免校準運行。由于重量減輕和空間限制，電機和電子幾何結構起著重要作用。該示例描述了單芯片電機執行器的解決方案，HVC 4223F通過LIN通信接口驅動無傳感器六步換向的BLDC電機。圖2顯示了通過HVC 4223F單芯片解決方案集成完整電子元件的閥門執行器的原理系統。
表3 ：使用HVC 4223F概述所使用的外圍功能
硬件 - 軟件交互和電路解決方案
硬件和軟件在運動控制系統內的有效交互取決于可用芯片外圍設備的特定功能的分布。表3總結了圖2中系統的可能方法，該方法采用無傳感器六步換向，包括轉速和電流控制，診斷和通信堆棧功能。軟件架構可以是例如具有中斷的簡單循環。
圖2 ：使用BLDC電機的示例系統
該系統的基本電路解決方案如圖3所示。電機的外部元件數量可減少到最少12個元件（參見圖3中的表格）。在特殊系統ESD和/或EMC要求的情況下，可能需要一些額外的組件，如鐵氧體磁珠等，例如在DC電源鏈路或LIN信號路徑中。
圖3：原理電路解決方案
結論
由于電子設備成本下降，使用BLDC電機技術的小型電機驅動解決方案的數量將增加。Micronas高度集成的單芯片HVC 4223F解決方案是該開發的推動者。
電機的多樣性和功能將增加，包括智能驅動器之間的聯網。此外，必須滿足更輕的重量，更小的尺寸，更高的功率密度和更低的成本的要求。使用過的電機需要體積小，重量輕，用于分布式LIN總線網絡。
由于可以使用單芯片解決方案開發微型電機的完整平臺，因此可以縮短設計時間。通過調整軟件可以實現針對不同電機類型和屬性的調整。今天的刷式直流電機解決方案可以通過BLDC電機系統1：1更換，在外部看起來像傳統電機，但內部提供實現智能運動控制所需的所有優勢。
自我診斷和功能安全越來越重要。具有“集成智能”的驅動器通過電子設備可以提供此診斷功能。例如，電機的屬性可能會隨著使用壽命而改變。這些效果可以通過電子設備跟蹤和存儲，并在一定程度上進行調整。
調整軟件可以解決大量功能和應用程序。客戶只需一種 類型的控制器即可有效地配備完整的執行器平臺 。少量的分立元件和高集成度提供了高度的小型化，并且具有經濟的解決方案，具有現代類型電動機的優點和益處。硬件和軟件的高度可重用性允許快速響應客戶需求的變化。
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