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模型展会如何经济高效地过渡到您的应用的BLDC无刷直流电机
文章出处：x-teamrc.cn 人气： 发表时间：2018-11-12 23:07
半导体集成的各种选择为基于同步电机的分布式智能小型驱动解决方案开辟了越来越多的应用。这些包括无刷直流电机（BLDC），永磁同步电机（PMSM）和步进电机。由于它们的技术优势和提高的效率，这些类型的电动机正在许多现有应用中取代刷式电动机。汽车就是一个很好的例子。
通常，汽车部件必须支持低系统成本，小巧，轻便和可靠，并且显示出高效率。减少废气排放和降低燃料消耗也很重要。对与各种电机配合使用的驱动概念的需求，以及对效率，系统设计和网络选项的极端要求对执行器电子元件产生了重大影响。
Ť 他BLDC电机市场
美国有很多BLDC制造商。大多数公司仍然专注于电刷技术，如刷式直流电机，步进电机等。但其中许多公司正在建立BLDC电机作为新产品开发的基础。即使有许多BLDC电机制造商，特别是小型BLDC电机，市场上也没有那么多的集成控制电子解决方案。能够制造内置集成智能电子设备的BLDC电机以及低成本方法的公司仍然不容易找到。
BLDC电机技术的采用水平正在提高。许多汽车功能，如燃油或水泵，HVAC（暖通空调和空调），曲线灯，前照灯调平等等，都从刷式直流电机或步进电机技术转变为BLDC电机技术。是的，这并不能说明所有有刷直流电机或步进电机都会转换为BLDC电机技术。但是，与电机本身的价格相比，控制电机的电子设备太昂贵的主要论点每天变得越来越不合理。此外，BLDC电机的优势可以显着增强其他系统属性（参见表1）。因此可以预见到智能运动控制的演变。
无刷直流电机的优势
与竞争对手的电机技术相比，BLDC电机具有几个优点，如表1所示。
Ť 能够1 ：的无刷直流电动机的优点总结
P 从电刷式直流电动机向BLDC电机的过渡roblems？
在研究包括有刷式直流电机（BDC）的运动控制系统时，很明显，与BLDC电机相比，控制不那么复杂。简而言之：您只需向电机施加电压即可开始移动。在BLDC电机控制系统设计方面经验不足的工程师经常担心，即使他们了解优势，他们也很难转换为BLDC电机技术。复杂的电子设备和这种系统的编程被认为是一个障碍。此外，由于电子换向而导致的较高系统成本通常被视为一种显示器。
但是，从BDC到BLDC的过渡并不一定困难。通过使用Micronas HVC 4223F单芯片解决方案，电子电路可以非常简单。
在下面的示例中，解决方案是一个仅需要13个组件的解决方案，包括HVC 4223F本身。例如，如果系统已经包含PCB，则对BOM的影响是适中的。在许多情况下，由于更高的效率，可以使用更小的电动机。执行器也可以更小，进一步降低材料成本（电机，外壳，齿轮等）。此外，带有HVC 4223F的BLDC控制系统可以通过外部行为类似BDC电机的方式进行编程，仅包含VBAT和接地电源作为连接。因此，可以在不改变整个系统设计的情况下升级现有的运动控制系统。从长远来看，系统可以得到改进，例如使用网络和/或诊断功能等。
单芯片架构，可实现最大程度的系统集成和灵活的驱动系统
新的Micronas高压控制器（HVC）允许具有高度集成的电机驱动电子设备的系统实现现代永磁励磁直流电机的性能潜力。HVC 4223F是一个集成的微型计算机系统，具有所有必要的外围模块，可直接驱动PMSM / BLDC电机和双极步进电机。外围模块和用户定义软件的编程能力允许最佳地适应不同驱动系统的属性和属性。
通过PMSM / BLDC电机的低功率/重量比（W / kg）实现的驱动解决方案中集成密度的增加会影响功耗（功率/热管理），驱动电路的灵活性和所选驱动器，以及诊断的选项。电子器件的高集成密度需要通过目标指定的电源管理来调整热操作条件。新的HVC系列提供了许多功能，可以精确地进行这种调整。
甲djusted马达激活用于不同应用和工作模式
在汽车执行器中使用不同的驱动概念需要容易地调整电动机电桥和如何激活电桥。HVC 4223F通过可配置的最终输出级，完全集成的可编程外设模块和功能强大的ARMCortex®-M3®内核精确解决了这一问题。集成了六个n / n半桥（包括充电泵）。这些可以通过输出引脚的适当接线电路和软件配置适应电机类型。
EPWM模块（增强型脉冲宽度调制）支持不同工作模式和电机类型的无源和有源续流电流模式（“异步/同步整流”）（见表2）。集成电流测量和D / A转换器允许编程标称电流值（例如，用于电流控制的微步进）。在PMSM / BLDC电机中，不使用传感器，转子位置的反馈信号可以通过比较器和集成的星点参考，或者通过霍尔效应传感器/编码器发送。而且，可以选择步进电机的换向操作模式，例如用于实现更高的旋转速度。使步进电机适应不同的操作模式（全步/半步，波驱，微步，
表2 ：使用新HVC概述电机类型和操作模式
使用ARM Cortex-M3 CPU可以快速执行速度和电流控制算法 - 由高速A / D转换器和可调节信号路径支持，用于电压和电流测量。输出级包括过载保护（过压/过流）和诊断功能。用于电机激活的集成外围模块（EPWM，比较器，星点参考，D / A转换器，诊断和过压/过电流保护，温度监控）可针对表中列出的操作模式进行编程。
使用ARM Cortex-M3 CPU的高效系统
CPU和闪存通过软件实现极高的系统灵活性，例如用于转速和电流控制的实时要求，分布式执行器系统（例如LIN集群）中的通信和诊断功能。主振荡器已经集成。可以降低CPU周期以降低功耗或功耗，而不会影响外设功能。为减少电磁辐射，还包括EMI降低模块（ERM）。所有外围模块都可以通过AHB / APB总线系统进行编程，并且可以根据系统要求进行调整。集成的NVRAM允许存储诊断和应用程序数据。
对于电源，HVC系列直接通过12伏车载电气系统供电，并符合ISO 7337测试脉冲。启动 - 停止系统由特殊的“保留模式”支持。与传统线性稳压器相比，集成开关稳压器（降压转换器）可最大限度地降低功耗。节能模式提供低功耗，例如用于K1.30应用。外部负载（例如霍尔传感器）可通过可编程高侧开关提供。
对于分布式小型驱动系统（例如HVAC系统）中的通信，LIN-UART和LIN物理层集成在HVC中。此外，第二个LIN引脚可用于LIN集群，具有自动寻址功能，，例如HVAC阀门应用。所描述的系统集成和网络能力是进一步小型化和微型电动机小型化和集成的重要一步。
驱动系统的可靠性受所用驱动电子设备的影响。新型HVC的结构包括广泛的诊断和保护功能，SPFM大于60％（“ASIL就绪”）。这对于在系统级别根据ISO 26262进行分解很重要，也就是说，对于单个和独立系统元件的安全和安全要求的分配，并且可以在系统，硬件和软件级别执行。
由于组件数量减少，高系统集成对所需的系统FIT（FIT =时间故障）率具有积极影响。
灵活诊断的一个很好的例子是在软件中实施“热管理”。
图1 ：BLDC电机中的电子集成
通过评估电流和温度，可以采取措施来适应运行曲线，例如减少CPU周期，限制电机电流，调整电机桥中的续流电流模式等。
新型HVC 4223F采用小型40引脚QFN 6x6 mm封装，非常适合小型化和电子元件集成到电机或执行器中。此外，“裸露焊盘”（ePAD）可确保良好的热连接。结温范围为-40°C至+ 150°C，集成的过温监控功能可用于温度关键应用。
BLDC电机定位执行器的应用实例
用于定位应用的机械致动器通常必须提供高扭矩（例如，在阀门，襟翼等中）。通常，齿轮用于在负载下获得低转速，由于摩擦而引入相当大的损失。在许多情况下，执行器必须施加稳定的保持扭矩，并且执行器不应失去其最后位置以避免校准运行。由于重量减轻和空间限制，电机和电子几何结构起着重要作用。该示例描述了单芯片电机执行器的解决方案，HVC 4223F通过LIN通信接口驱动无传感器六步换向的BLDC电机。图2显示了通过HVC 4223F单芯片解决方案集成完整电子元件的阀门执行器的原理系统。
表3 ：使用HVC 4223F概述所使用的外围功能
硬件 - 软件交互和电路解决方案
硬件和软件在运动控制系统内的有效交互取决于可用芯片外围设备的特定功能的分布。表3总结了图2中系统的可能方法，该方法采用无传感器六步换向，包括转速和电流控制，诊断和通信堆栈功能。软件架构可以是例如具有中断的简单循环。
图2 ：使用BLDC电机的示例系统
该系统的基本电路解决方案如图3所示。电机的外部元件数量可减少到最少12个元件（参见图3中的表格）。在特殊系统ESD和/或EMC要求的情况下，可能需要一些额外的组件，如铁氧体磁珠等，例如在DC电源链路或LIN信号路径中。
图3：原理电路解决方案
结论
由于电子设备成本下降，使用BLDC电机技术的小型电机驱动解决方案的数量将增加。Micronas高度集成的单芯片HVC 4223F解决方案是该开发的推动者。
电机的多样性和功能将增加，包括智能驱动器之间的联网。此外，必须满足更轻的重量，更小的尺寸，更高的功率密度和更低的成本的要求。使用过的电机需要体积小，重量轻，用于分布式LIN总线网络。
由于可以使用单芯片解决方案开发微型电机的完整平台，因此可以缩短设计时间。通过调整软件可以实现针对不同电机类型和属性的调整。今天的刷式直流电机解决方案可以通过BLDC电机系统1：1更换，在外部看起来像传统电机，但内部提供实现智能运动控制所需的所有优势。
自我诊断和功能安全越来越重要。具有“集成智能”的驱动器通过电子设备可以提供此诊断功能。例如，电机的属性可能会随着使用寿命而改变。这些效果可以通过电子设备跟踪和存储，并在一定程度上进行调整。
调整软件可以解决大量功能和应用程序。客户只需一种 类型的控制器即可有效地配备完整的执行器平台 。少量的分立元件和高集成度提供了高度的小型化，并且具有经济的解决方案，具有现代类型电动机的优点和益处。硬件和软件的高度可重用性允许快速响应客户需求的变化。
通常，汽车部件必须支持低系统成本，小巧，轻便和可靠，并且显示出高效率。减少废气排放和降低燃料消耗也很重要。对与各种电机配合使用的驱动概念的需求，以及对效率，系统设计和网络选项的极端要求对执行器电子元件产生了重大影响。
Ť 他BLDC电机市场
美国有很多BLDC制造商。大多数公司仍然专注于电刷技术，如刷式直流电机，步进电机等。但其中许多公司正在建立BLDC电机作为新产品开发的基础。即使有许多BLDC电机制造商，特别是小型BLDC电机，市场上也没有那么多的集成控制电子解决方案。能够制造内置集成智能电子设备的BLDC电机以及低成本方法的公司仍然不容易找到。
BLDC电机技术的采用水平正在提高。许多汽车功能，如燃油或水泵，HVAC（暖通空调和空调），曲线灯，前照灯调平等等，都从刷式直流电机或步进电机技术转变为BLDC电机技术。是的，这并不能说明所有有刷直流电机或步进电机都会转换为BLDC电机技术。但是，与电机本身的价格相比，控制电机的电子设备太昂贵的主要论点每天变得越来越不合理。此外，BLDC电机的优势可以显着增强其他系统属性（参见表1）。因此可以预见到智能运动控制的演变。
无刷直流电机的优势
与竞争对手的电机技术相比，BLDC电机具有几个优点，如表1所示。
Ť 能够1 ：的无刷直流电动机的优点总结
P 从电刷式直流电动机向BLDC电机的过渡roblems？在研究包括有刷式直流电机（BDC）的运动控制系统时，很明显，与BLDC电机相比，控制不那么复杂。简而言之：您只需向电机施加电压即可开始移动。在BLDC电机控制系统设计方面经验不足的工程师经常担心，即使他们了解优势，他们也很难转换为BLDC电机技术。复杂的电子设备和这种系统的编程被认为是一个障碍。此外，由于电子换向而导致的较高系统成本通常被视为一种显示器。
但是，从BDC到BLDC的过渡并不一定困难。通过使用Micronas HVC 4223F单芯片解决方案，电子电路可以非常简单。
在下面的示例中，解决方案是一个仅需要13个组件的解决方案，包括HVC 4223F本身。例如，如果系统已经包含PCB，则对BOM的影响是适中的。在许多情况下，由于更高的效率，可以使用更小的电动机。执行器也可以更小，进一步降低材料成本（电机，外壳，齿轮等）。此外，带有HVC 4223F的BLDC控制系统可以通过外部行为类似BDC电机的方式进行编程，仅包含VBAT和接地电源作为连接。因此，可以在不改变整个系统设计的情况下升级现有的运动控制系统。从长远来看，系统可以得到改进，例如使用网络和/或诊断功能等。
单芯片架构，可实现最大程度的系统集成和灵活的驱动系统
新的Micronas高压控制器（HVC）允许具有高度集成的电机驱动电子设备的系统实现现代永磁励磁直流电机的性能潜力。HVC 4223F是一个集成的微型计算机系统，具有所有必要的外围模块，可直接驱动PMSM / BLDC电机和双极步进电机。外围模块和用户定义软件的编程能力允许最佳地适应不同驱动系统的属性和属性。
通过PMSM / BLDC电机的低功率/重量比（W / kg）实现的驱动解决方案中集成密度的增加会影响功耗（功率/热管理），驱动电路的灵活性和所选驱动器，以及诊断的选项。电子器件的高集成密度需要通过目标指定的电源管理来调整热操作条件。新的HVC系列提供了许多功能，可以精确地进行这种调整。
甲djusted马达激活用于不同应用和工作模式
在汽车执行器中使用不同的驱动概念需要容易地调整电动机电桥和如何激活电桥。HVC 4223F通过可配置的最终输出级，完全集成的可编程外设模块和功能强大的ARMCortex®-M3®内核精确解决了这一问题。集成了六个n / n半桥（包括充电泵）。这些可以通过输出引脚的适当接线电路和软件配置适应电机类型。
EPWM模块（增强型脉冲宽度调制）支持不同工作模式和电机类型的无源和有源续流电流模式（“异步/同步整流”）（见表2）。集成电流测量和D / A转换器允许编程标称电流值（例如，用于电流控制的微步进）。在PMSM / BLDC电机中，不使用传感器，转子位置的反馈信号可以通过比较器和集成的星点参考，或者通过霍尔效应传感器/编码器发送。而且，可以选择步进电机的换向操作模式，例如用于实现更高的旋转速度。使步进电机适应不同的操作模式（全步/半步，波驱，微步，
表2 ：使用新HVC概述电机类型和操作模式
使用ARM Cortex-M3 CPU可以快速执行速度和电流控制算法 - 由高速A / D转换器和可调节信号路径支持，用于电压和电流测量。输出级包括过载保护（过压/过流）和诊断功能。用于电机激活的集成外围模块（EPWM，比较器，星点参考，D / A转换器，诊断和过压/过电流保护，温度监控）可针对表中列出的操作模式进行编程。
使用ARM Cortex-M3 CPU的高效系统
CPU和闪存通过软件实现极高的系统灵活性，例如用于转速和电流控制的实时要求，分布式执行器系统（例如LIN集群）中的通信和诊断功能。主振荡器已经集成。可以降低CPU周期以降低功耗或功耗，而不会影响外设功能。为减少电磁辐射，还包括EMI降低模块（ERM）。所有外围模块都可以通过AHB / APB总线系统进行编程，并且可以根据系统要求进行调整。集成的NVRAM允许存储诊断和应用程序数据。
对于电源，HVC系列直接通过12伏车载电气系统供电，并符合ISO 7337测试脉冲。启动 - 停止系统由特殊的“保留模式”支持。与传统线性稳压器相比，集成开关稳压器（降压转换器）可最大限度地降低功耗。节能模式提供低功耗，例如用于K1.30应用。外部负载（例如霍尔传感器）可通过可编程高侧开关提供。
对于分布式小型驱动系统（例如HVAC系统）中的通信，LIN-UART和LIN物理层集成在HVC中。此外，第二个LIN引脚可用于LIN集群，具有自动寻址功能，，例如HVAC阀门应用。所描述的系统集成和网络能力是进一步小型化和微型电动机小型化和集成的重要一步。
驱动系统的可靠性受所用驱动电子设备的影响。新型HVC的结构包括广泛的诊断和保护功能，SPFM大于60％（“ASIL就绪”）。这对于在系统级别根据ISO 26262进行分解很重要，也就是说，对于单个和独立系统元件的安全和安全要求的分配，并且可以在系统，硬件和软件级别执行。
由于组件数量减少，高系统集成对所需的系统FIT（FIT =时间故障）率具有积极影响。
灵活诊断的一个很好的例子是在软件中实施“热管理”。
图1 ：BLDC电机中的电子集成通过评估电流和温度，可以采取措施来适应运行曲线，例如减少CPU周期，限制电机电流，调整电机桥中的续流电流模式等。
新型HVC 4223F采用小型40引脚QFN 6x6 mm封装，非常适合小型化和电子元件集成到电机或执行器中。此外，“裸露焊盘”（ePAD）可确保良好的热连接。结温范围为-40°C至+ 150°C，集成的过温监控功能可用于温度关键应用。
BLDC电机定位执行器的应用实例
用于定位应用的机械致动器通常必须提供高扭矩（例如，在阀门，襟翼等中）。通常，齿轮用于在负载下获得低转速，由于摩擦而引入相当大的损失。在许多情况下，执行器必须施加稳定的保持扭矩，并且执行器不应失去其最后位置以避免校准运行。由于重量减轻和空间限制，电机和电子几何结构起着重要作用。该示例描述了单芯片电机执行器的解决方案，HVC 4223F通过LIN通信接口驱动无传感器六步换向的BLDC电机。图2显示了通过HVC 4223F单芯片解决方案集成完整电子元件的阀门执行器的原理系统。
表3 ：使用HVC 4223F概述所使用的外围功能
硬件 - 软件交互和电路解决方案
硬件和软件在运动控制系统内的有效交互取决于可用芯片外围设备的特定功能的分布。表3总结了图2中系统的可能方法，该方法采用无传感器六步换向，包括转速和电流控制，诊断和通信堆栈功能。软件架构可以是例如具有中断的简单循环。
图2 ：使用BLDC电机的示例系统
该系统的基本电路解决方案如图3所示。电机的外部元件数量可减少到最少12个元件（参见图3中的表格）。在特殊系统ESD和/或EMC要求的情况下，可能需要一些额外的组件，如铁氧体磁珠等，例如在DC电源链路或LIN信号路径中。
图3：原理电路解决方案
结论
由于电子设备成本下降，使用BLDC电机技术的小型电机驱动解决方案的数量将增加。Micronas高度集成的单芯片HVC 4223F解决方案是该开发的推动者。
电机的多样性和功能将增加，包括智能驱动器之间的联网。此外，必须满足更轻的重量，更小的尺寸，更高的功率密度和更低的成本的要求。使用过的电机需要体积小，重量轻，用于分布式LIN总线网络。
由于可以使用单芯片解决方案开发微型电机的完整平台，因此可以缩短设计时间。通过调整软件可以实现针对不同电机类型和属性的调整。今天的刷式直流电机解决方案可以通过BLDC电机系统1：1更换，在外部看起来像传统电机，但内部提供实现智能运动控制所需的所有优势。
自我诊断和功能安全越来越重要。具有“集成智能”的驱动器通过电子设备可以提供此诊断功能。例如，电机的属性可能会随着使用寿命而改变。这些效果可以通过电子设备跟踪和存储，并在一定程度上进行调整。
调整软件可以解决大量功能和应用程序。客户只需一种 类型的控制器即可有效地配备完整的执行器平台 。少量的分立元件和高集成度提供了高度的小型化，并且具有经济的解决方案，具有现代类型电动机的优点和益处。硬件和软件的高度可重用性允许快速响应客户需求的变化。
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半导体集成的各种选择为基于同步电机的分布式智能小型驱动解决方案开辟了越来越多的应用。这些包括 无刷直流电机（BLDC） ， 永磁同步电机（PMSM） 和步进电机。由于它们的技术优