未來(lái)電機的創(chuàng )新設計滿(mǎn)足節能趨勢

隨著(zhù)節能成為全球范圍關(guān)注的焦點(diǎn)，電機設計的能效也日益成為一個(gè)引人關(guān)注的問(wèn)題。電機驅動(dòng)產(chǎn)品不斷配合行業(yè)發(fā)展的趨勢，幫助設計人員提升能效、降低能耗、提高可靠性、減少元件數量等等，在實(shí)現節能方面發(fā)揮著(zhù)積極的作用。

電機市場(chǎng)發(fā)展趨勢

        歷經(jīng)百年的發(fā)展，電機的應用領(lǐng)域已非常廣泛。安森美半導體的電機驅動(dòng)產(chǎn)品覆蓋的汽車(chē)及工業(yè)等領(lǐng)域的應用，正是電機市場(chǎng)主要趨勢的一個(gè)縮影。

        首先是汽車(chē)電氣化的趨勢，即汽車(chē)制造商用集成的高能效電機替代傳統內燃引擎動(dòng)力，通常是用無(wú)刷直流(BLDC)電機替代皮帶和齒輪驅動(dòng)，用于引擎蓋下的輔助元件，如泵、閥、供暖及空調、風(fēng)扇等。由于BLDC電機具有相當優(yōu)異的性能，也開(kāi)始進(jìn)入傳統上采用有刷直流(BDC)電機方案的其他應用。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 | 轉換器 | 風(fēng)速計

        另一個(gè)趨勢是應用裝配率的提升增加了電機的安裝數量，如電機化供暖通風(fēng)空調(HVAC)氣瓣控制(主要用于有刷直流及單極步進(jìn)電機)也開(kāi)始應用于較低端汽車(chē)的HVAC系統。

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

節能趨勢對電機驅動(dòng)應用的新要求

        能源成本通常是電機整個(gè)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約大量能源。

        節能趨勢對電機驅動(dòng)的新要求包括幾個(gè)方面，其一，能效是由所選擇的電機技術(shù)及電機結構決定的，因此要求選擇能將電能轉換為機械能的比例提升至最高的電機。其次，要選擇可以將驅動(dòng)器的功耗降至最低并提高能效的驅動(dòng)電路。其三，要通過(guò)提升電機驅動(dòng)智能來(lái)實(shí)現優(yōu)化的能耗方案。

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

安森美半導體提高電機設計能效的創(chuàng )新解決方案

        在快速、精確及動(dòng)態(tài)的動(dòng)作控制應用中，步進(jìn)電機是越來(lái)越普及的一種選擇。隨著(zhù)電機技術(shù)的發(fā)展，智能驅動(dòng)器/控制器專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)也涌現出來(lái)，能夠高效地驅動(dòng)這些電機。這些器件為設計人員提供了更加靈活的方案，開(kāi)創(chuàng )了創(chuàng )新功能的空間，并發(fā)現了許多新的應用。

1. 雙極步進(jìn)電機驅動(dòng)及控制器
 
        安森美半導體開(kāi)發(fā)的AMIS-3062x系列的AMIS-30623就是高效驅動(dòng)機電致動(dòng)器中的雙極步進(jìn)電機的驅動(dòng)及控制器。這款產(chǎn)品嵌入了專(zhuān)用有限狀態(tài)機及針對先進(jìn)前照燈系統(AFS)系統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，減少元件數量和板上空間，降低產(chǎn)品成本。AMIS-30623專(zhuān)為遠程及多軸定位應用而設計，非傳感控制檢測功能的設計者能輕易完成精確的定位校準及半封閉式的循環(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)品的目標應用包括前照燈級測量、自動(dòng)HVAC設計、監控攝像頭控制、專(zhuān)業(yè)照明設備及工業(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控類(lèi)型、定位范圍和參數的不同而修改配置。這款產(chǎn)品還具備電流保持特性。圖1是AMIS-30623的框圖。
 

         安森美半導體的AMIS-30624步進(jìn)電機驅動(dòng)器也可用于可移動(dòng)式拍攝全景-上下擺動(dòng)-放焦變大(PTZ)保安攝像機應用。該器件通過(guò)I2C總線(xiàn)以簡(jiǎn)單的微控制器驅動(dòng)3個(gè)電機。該拓撲結構支持極緊湊的攝像機設計，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(gè)數字運動(dòng)控制器和一個(gè)H橋布局的50mA至800mA雙極兩相步進(jìn)電機驅動(dòng)器。這種驅動(dòng)器提供微步進(jìn)(micro-stepping)操作，因此不再需要在速度、噪聲和共振導致的失步(step loss)之間進(jìn)行權衡。運動(dòng)控制器提供可編程峰值電流，采用20kHz PWM電流控制方案。它還集成了系統通信接口，有LIN或I2C接口可供選擇。在包括汽車(chē)工業(yè)在內的遠程或分布式應用中，LIN架構可以減少布線(xiàn)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備。

        該系列器件的主要優(yōu)點(diǎn)是，所有針對應用的運動(dòng)控制功能都可以在廠(chǎng)內進(jìn)行預編程，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(kāi)發(fā)應用及之后測試和調試軟件時(shí)進(jìn)行再編程。這將顯著(zhù)加快設計更新的速度。

2. 步進(jìn)電機的精確動(dòng)態(tài)控制

       隨著(zhù)步進(jìn)電機出現在越來(lái)越多的應用場(chǎng)合，設計人員也在繼續追求高精度的定位。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、計算機數控銑雕機等設備的吸引力與日俱增。安森美半導體的AMIS-305xx系列就是用于需要精確動(dòng)態(tài)控制步進(jìn)電機系統的ASSP，它能夠以SPI接口提供可變電機電流控制，進(jìn)而實(shí)現精確的動(dòng)態(tài)控制。

        AMIS-305xx系列集成了轉換器，將連續步長(cháng)轉換為所需的線(xiàn)圈電流(可通過(guò)查找表或其他方式)。該系列還集成了采用H橋配置的驅動(dòng)器晶體管、反激二極管、經(jīng)PWM的片上穩流，以及多種保護電路。圖2是AMIS-30522應用框圖。
 

        該系列IC包含兩個(gè)內置H橋，能夠以最高達1600mA的電流驅動(dòng)雙相步進(jìn)電機。速度和負載角輸出使主微控制器能夠檢測阻轉轉子和運行結束狀況，而無(wú)需額外的開(kāi)關(guān)、霍爾(Hall)傳感器或光學(xué)編碼器。除了停轉檢測，這些功能還允許設計人員為微控制器編程，以計算轉子位置，并按要求動(dòng)態(tài)調節電流或速度，以防止失步。它還完美實(shí)現了微步進(jìn)，能夠消除終點(diǎn)停止的噪聲和震動(dòng)，并在無(wú)需添加元件的情況下提升運動(dòng)控制的精確度和可靠性。

        在構建加工、汽車(chē)、安全和建筑自動(dòng)化應用時(shí)，工程師不必再擔心運動(dòng)算法中的動(dòng)力學(xué)設計，因為這些均已嵌入在A(yíng)SSP中。他們只需設計電機的總體運動(dòng)，而相關(guān)IC可以實(shí)現無(wú)傳感器失速檢測等先進(jìn)特性，從而更進(jìn)一步簡(jiǎn)化設計人員的工作，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。此外，這些新的微型步進(jìn)電機驅動(dòng)器還可使設計人員用最少的元件和最低的材料成本快速而簡(jiǎn)便地完成動(dòng)態(tài)運動(dòng)應用。

3. 其他電機驅動(dòng)控制解決方案

        安森美半導體的NCV770x系列驅動(dòng)器也常用于驅動(dòng)HVAC電子控制單元中的氣瓣。這個(gè)系列半橋驅動(dòng)器提供了高性?xún)r(jià)比的方案，可以用串聯(lián)或并聯(lián)方式驅動(dòng)多個(gè)有刷直流電機，同時(shí)也完全滿(mǎn)足了壽命周期內可靠性、診斷、電池供電瞬態(tài)等方面的最新汽車(chē)標準。

總結

        高效節能是一個(gè)總的趨勢，電機驅動(dòng)器也正趨于成為大批量通用產(chǎn)品，而降低每個(gè)電機驅動(dòng)器的成本及減小方案尺寸則是主要的動(dòng)力。市場(chǎng)將會(huì )在高效的控制方式和成本之間獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

        根據戰略重點(diǎn)和對系統需求的理解，尤其是客戶(hù)的需求，安森美半導體采用定制方法為客戶(hù)提供從ASSP到客戶(hù)專(zhuān)用集成電路(ASIC)的不同方案。這些解決方案將幫助中國市場(chǎng)上的消費電子、工業(yè)控制和汽車(chē)電子領(lǐng)域的電機應用設計人員獲得更高的效率、更長(cháng)的壽命、更佳的故障控制，使電機逐步實(shí)現了小型化、高效率、低噪聲和更高的可靠性。