无论是工业、家庭还是商业用电,电机是耗能的“第一大户”,提升其运行效率是节能的不二之选。IEA(国际能源
机构)曾指出,电机功耗占全球总能耗的45%,提高电机驱动系统的效率将使全球电力消耗降低9%~14%。在能源短缺
及环保要求双重压力下,更高的能效、更出色的动态性能和更低的运行噪声已成为电机驱动的重要设计要求。
三相无刷电机需全新解决方案
BLDC需要新的解决方案提供模块化的先进马达控制软件库,最大限度减少软件设计工作。
在交流电机、直流电机两类电机中,直流电机取代交流电机已是趋势使然。直流电机又分为直流有刷及无刷电机,
直流无刷电机中的三相无刷直流(BLDC)电机和永磁异步电机(PMSM)因为体积更小、可靠性更高、运行效率更高,更
加契合环保需求。德州仪器(TI)的MCU业务拓展经理吴健鸿就表示,为了实现高可靠性、低成本和高效率,业界正从
有刷向三相无刷电机迈进。
飞兆半导体公司BLDC产品线市场经理简文烯也介绍说,AC(交流)马达转向BLDC马达的趋势越来越明显,据预计,
2010年~2015年全球主要家用电器的出货量增长32%,而PMSM/BLDC马达的采用比例也将增长一倍,因为其在体积、
效率、转速控制、寿命等方面都更出色。
此外,在BLDC类型中也呈现由有传感器向无传感器转型的趋势。吴健鸿表示,如在传统磁场定向控制(FOC)电机设计
中,采用转子传感器既会增加成本,还可能会降低可靠性,从而对系统造成不利影响。此外,在某些特定应用如封
闭式压缩机或大型牵引设备等应用中采用传感器也是不可行的。
虽然业界一致看好BLDC,但采用BLDC马达也面临多重挑战,如需要更高级、更复杂的电机控制算法,以及更少的开
发成本和更快的开发效率等。“因而需要新的解决方案提供模块化的先进马达控制软件库,最大限度减少软件设计
工作(但仍提供可编程的系统控制和通信接口)等。”简文烯表示。吴健鸿也指出,无传感器FOC电机技术虽可带来许
多系统优势,但许多行业都因缺乏电机控制系统知识而不得不延迟采用和推广这些技术。
MCU主角配角两相宜
电机控制器的走向已呈现分化的趋势,而MCU扮演的角色也 “主”“次”有别。
对于无刷直流电机而言,先进的FOC方案被广泛采用,而这需要优化的MCU和易用软件。虽然电机控制器厂商一致认
识到电机的商机和未来走向,但沿袭以往的经验以及差异化的考量,电机控制器的走向已呈现分化的趋势,而MCU扮
演的角色也“主”“次”有别。
飞兆最新开发的集成式电机控制器FCM8531让MCU成为一个“配角”。简文烯介绍,FCM8531的核心是单芯片上集成嵌
入式MCU(MCS51)和先进马达控制器(AMC),并通过MSFR实现双方数据交换与存储。其优势在于通过使用预先配置和存
储在AMC中的软件库,AMC可以执行FOC和DQ控制等强大算法,MCU仅需要简单的系统控制软件编程,从而实现了最少
的软件控制。AMC和MCU均独立工作,可避免系统中断。同时,AMC能实时逐周期电流保护检测PWM信号,并且可在微
秒内关断OWM信号以防止系统损坏。“此前飞兆的相关马达控制芯片产品FCM8201/ 8202有MCU接口,而新的FCM8531
正是基于此基础之上,把MCU直接集成到单一芯片之中。”简文烯表示。
这一设计使得MCU的功能“简化”为马达控制的可配置性选项,比如通信、管理速度控制面板、遥控装置等。“虽然
其他厂商推出的MCU是以32位为主,但飞兆从应用角度出发,认为MCU的作用是扩展可配置性和实现差异化,因此采
用8位8051核。一般电机MCU单元需要工程师具备软件撰写的能力,飞兆的方案则降低了开发技术门槛,并可大幅缩
短开发周期。”简文烯说。简文烯还表示,以后会在控制器中集成更多的AMC,通过开关来控制不同步工作的电机。
飞兆有些剑走偏峰的意味,而英飞凌却是致力于让基于32位ARM核的MCU作更多的功能集成,以“主角”的身份实现
有的放矢的电机控制。英飞凌最新推出基于ARMM0核的XMC1000系列微控制器XMC1300就针对电机控制做了很多优化,