電機驅動(dòng)和電機控制器的產(chǎn)品分類(lèi)

 

在尋找合適的電機驅動(dòng)和控制IC之前，我們首先要做這樣一件事，那就是項目中你打算使用哪種類(lèi)型的電機。

 

按產(chǎn)品類(lèi)別劃分，目前的電機類(lèi)型主要包括有刷直流電機（BDC）、無(wú)刷直流電機（BLDC）、永磁同步電機（PMSM）、交流感應電機（ACIM）、步進(jìn)電機（Stepper）、開(kāi)關(guān)磁阻電機（SRM）等6種。其中，有刷直流電機、無(wú)刷直流電機和步進(jìn)電機是最常用的3種電機類(lèi)型。根據公開(kāi)的數據，有刷直流電機的使用率相對較高，約占整個(gè)電機市場(chǎng)一半左右的份額。無(wú)刷直流電機的需求量近幾年開(kāi)始出現一定的增長(cháng)，市場(chǎng)分析機構FMI預測，2018年至2027年間，無(wú)刷直流電機對電機驅動(dòng)IC的需求預計將創(chuàng )造6.177億美元的增量機會(huì )。

 

有刷直流電機是三種電機中最簡(jiǎn)單的一種，具有啟動(dòng)響應速度快、扭矩大、變速平穩、控制精度高以及使用成本低等特點(diǎn)，在玩具和其他對成本敏感的應用中最常見(jiàn)。最近幾年，有刷直流電機也開(kāi)始進(jìn)入家用電器領(lǐng)域，比如電動(dòng)百葉窗和電動(dòng)門(mén)鎖中都有它的身影?？刂朴兴⒅绷麟姍C相對簡(jiǎn)單，只需改變施加在電機上的平均電壓就能改變它的速度，也可以通過(guò)H橋和微控制器（MCU）來(lái)實(shí)現。

 

無(wú)刷直流電機可以看做是永磁同步電機的一種，在機械上比有刷直流電機簡(jiǎn)單，通常轉子上有永磁體，定子上有繞組。它克服了有刷直流電機的先天性缺陷，以電子換向器取代了機械換向器，因此，無(wú)刷直流電機既有直流電機良好的調速性能，又有交流電機結構簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于計算機風(fēng)扇、工業(yè)設備等場(chǎng)合。然而，它們在工作中需要精確的控制，以實(shí)現更高的效率。

 

永磁同步電機PMSM通常用于高性能和高效電機驅動(dòng)。PMSM電機與BLDC電機本質(zhì)上區別不大，在現代各種電機應用中，兩者之間有時(shí)可以互相替換。在TI 的官網(wǎng)中就有這樣一段話(huà)：利用我們的BLDC電機驅動(dòng)器產(chǎn)品系列，能最大限度地提高三相無(wú)刷電機和永磁同步電機（PMSM）的性能。

 

交流感應電機ACIM結構簡(jiǎn)單、可靠，而且可從AC線(xiàn)路電壓中直接操作，在消費電子類(lèi)應用和工業(yè)應用中頗受歡迎。

 

步進(jìn)電機又稱(chēng)為脈沖電機，只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差這一特點(diǎn)，使得步進(jìn)電機在數字控制系統中有著(zhù)廣泛應用，尤其是那些需要高精度角運動(dòng)的設計，例如臺式打印機、3D打印機、安全攝像頭、相機鏡頭、醫療掃描儀、智能照明和數控銑床等。

 

步進(jìn)電機是通過(guò)控制脈沖寬度、占空比或輸入脈沖周期來(lái)管理的。步進(jìn)電機控制的挑戰在于避免失速，失速可引起電機或電子元件的損壞。如果在過(guò)載或快速變速過(guò)程中失去同步，而驅動(dòng)器仍在全力工作時(shí)，電機就會(huì )失速。因此，在設計中應考慮要有足夠的電流裕度以防止突然的大轉矩變化。

 

開(kāi)關(guān)磁阻電機SRM是一種新型調速電機，是繼變頻調速系統、無(wú)刷直流電動(dòng)機調速系統后的新一代調速系統。它的結構簡(jiǎn)單堅固，調速范圍寬，系統可靠性高。

 

電機控制和驅動(dòng)IC市場(chǎng)前景可期

 

我們常說(shuō)的電機驅動(dòng)其實(shí)包含兩層含義，一是控制，二是驅動(dòng)。電機控制器是一種新型的集成電路（IC），在為多相電機（如無(wú)刷直流電機和三相交流感應電機）構建高性能電機驅動(dòng)器的同時(shí)，可以節省大量的工程費用。這些控制器專(zhuān)為滿(mǎn)足低成本、變速和三相交流電機控制系統的要求而設計，比如低功率HVAC電機、商業(yè)洗衣機和洗碗機、過(guò)程控制、泵和風(fēng)扇等。

 

按行業(yè)劃分，全球電機控制IC市場(chǎng)分為汽車(chē)、樓宇控制、工業(yè)自動(dòng)化、消費電子、醫療保健等。機器人領(lǐng)域對電機控制芯片需求的增長(cháng)是推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)電機控制IC市場(chǎng)的主要因素之一。汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展是支撐全球電機控制IC增長(cháng)的另一支有生力量。此外，電機控制IC在消費電子產(chǎn)品中有著(zhù)廣泛的應用，這也將是推動(dòng)電機控制IC市場(chǎng)增長(cháng)的關(guān)鍵因素之一。

 

根據權威分析機構FMI的預測，到2027年，全球電機控制IC市場(chǎng)的復合年增長(cháng)率將從2017年的39.05億美元基礎上增長(cháng)5.0%，相當于擁有63.44億美元的市場(chǎng)潛力，而增長(cháng)的驅動(dòng)因素主要來(lái)自于醫療和汽車(chē)制造設備中使用的電機控制芯片。

 

那么，電機驅動(dòng)器又有什么作用呢？它和電機控制器之間有什么區別？從電機的工作原理來(lái)看，電機驅動(dòng)器只負責控制驅動(dòng)電機的功率，而邏輯和數字控制必須由外部微控制器或微處理器完成，后者就是電機控制器。電機控制器內置所有邏輯電路，可由更高級別的接口（如PWM信號、USB、模擬輸入等）進(jìn)行控制。在價(jià)格上，電機驅動(dòng)器通常比控制器要低一些?，F在，企業(yè)在提供電機驅動(dòng)解決方案時(shí)，往往將控制部分和驅動(dòng)部分集成在一起，用戶(hù)拿到的就是一個(gè)整體的解決方案。

 

如何為你的項目選擇一個(gè)合適的電機控制驅動(dòng)器？

 

在消費電子產(chǎn)品、家用電器、計算機和外圍設備、醫療設備和汽車(chē)等領(lǐng)域，只要我們需要連續運動(dòng)或精確定位，就離不開(kāi)電機。上文我們已經(jīng)提到，常用的電機類(lèi)型有三種，即有刷直流電機、無(wú)刷直流電機和步進(jìn)電機。根據電機的不同，我們需要尋找的電機控制驅動(dòng)器解決方案也會(huì )有一定差別。

 

在能源短缺以及全球氣候變暖的雙重壓力下，更高能效、更出色動(dòng)態(tài)性能和更低運行噪聲，已成為電機驅動(dòng)設計的必然趨勢。電機驅動(dòng)系統的整體優(yōu)化是在給定的投資條件下有效實(shí)現最高系統效率水平的關(guān)鍵途徑，這也是為什么企業(yè)提供的電機驅動(dòng)方案往往是一個(gè)整體的集成方案。

 

現在，全球排名前十（Top10）的模擬IC供應商幾乎都有電機驅動(dòng)IC業(yè)務(wù)。因此，市場(chǎng)上可供選擇的產(chǎn)品和方案非常多。在IC Insights發(fā)布的一份報告中，在德州儀器（TI）2019年128億美元的IC銷(xiāo)售額中，模擬電路約占80%，業(yè)務(wù)來(lái)源主要集中在工業(yè)應用（占銷(xiāo)售額的36%）。電機驅動(dòng)器是TI 重要的產(chǎn)品分支，它提供的電機驅動(dòng)器不僅簡(jiǎn)化了設計，減少了電路板空間，還能有效降低系統成本。從具有簡(jiǎn)單控制接口的集成電機驅動(dòng)器到智能門(mén)驅動(dòng)器和功能安全設備，TI 的產(chǎn)品能幫助系統設計師盡可能地提高電機性能。

 

在介紹具體的電機驅動(dòng)方案之前，我們有必要先來(lái)看一下在電機驅動(dòng)方案中常常被提到的H橋是怎么回事，因為H橋是驅動(dòng)有刷直流電機最常用的方式。圖1是H橋的工作原理圖，它使用兩對晶體管（通常是MOSFET）來(lái)控制電流流過(guò)電機的方向。通過(guò)改變電流的方向，電機的旋轉方向就會(huì )改變。憑借廣泛的電壓范圍和多種結構，包括單H橋和多H橋驅動(dòng)器，我們就會(huì )得到適用于各種工業(yè)、個(gè)人電子和汽車(chē)應用的有刷直流電機驅動(dòng)器方案。綜合來(lái)看，有刷直流電機的控制是最簡(jiǎn)單的，沒(méi)有時(shí)間或協(xié)議的要求。而步進(jìn)電機和無(wú)刷直流電機都需要特定類(lèi)型的信號來(lái)控制。

 

圖1：H橋工作原理圖（圖片來(lái)自https://core-electronics.com.au）
 

TI DRV8x系列電機驅動(dòng)器可對有刷和無(wú)刷電機、步進(jìn)電機或其他電子機械傳動(dòng)器等電磁設備進(jìn)行驅動(dòng)。借助TI DRV8x系列集成電機驅動(dòng)器，設計人員可快速、輕松地實(shí)現電機的驅動(dòng)，縮短上市時(shí)間，并極大地簡(jiǎn)化設計。通過(guò)集成柵極驅動(dòng)電路、感應放大器、保護裝置、FETS、工業(yè)標準控制接口，并采用驅動(dòng)算法，便可大幅改善設計復雜度、電路板空間以及電機驅動(dòng)時(shí)間。此外，DRV8x系列還提供過(guò)流保護、短路保護、欠壓閉鎖和超溫的內部停機功能。

 

圖2：簡(jiǎn)化的DRV8840工作原理圖（圖片來(lái)源：TI DRV8840）
 

其中，DRV8840專(zhuān)為打印機、掃描儀和其他自動(dòng)化設備應用提供集成的電機驅動(dòng)解決方案。該裝置有一個(gè)H橋驅動(dòng)器，用于驅動(dòng)一個(gè)有刷直流電機。DRV8828可以從8.2V到45V的單電源供電，提供高達5A的峰值或3.5A的輸出電流（在24V和25°C下適當散熱）。一個(gè)簡(jiǎn)單的PHASE/ENBL接口可以方便地連接到外部控制器，用于調節驅動(dòng)電流的大小。

 

Maxim公司的電機驅動(dòng)器MAX14872，有一個(gè)正向旋轉的邏輯電平輸入和一個(gè)反向旋轉的邏輯電平輸入，以及一個(gè)可以用來(lái)關(guān)閉設備的有效低啟動(dòng)引腳。

 

圖3：MAX14872工作原理圖（圖片來(lái)源：MAX14872）
 

圖4是NXP公司的三相無(wú)刷直流（BLDC）電機控制參考設計，該方案基于其Kinetis系列MCU，為三相無(wú)傳感器BLDC電機控制解決方案提供范例。它采用6步通信流程，包括閉環(huán)速度控制和動(dòng)態(tài)電機電流限制。集成了全面的模擬功能，為BLDC電機控制應用提供高性能解決方案。

 

圖4：NXP公司3相無(wú)刷直流電機控制方框圖（圖片來(lái)源：NXP官網(wǎng)）
 

意法半導體（ST）的STSPIN電機驅動(dòng)器系列集成了以極高精度高效驅動(dòng)電機所需的所有功能，并且包括一個(gè)可降低主微控制器負荷的先進(jìn)運動(dòng)輪廓生成器，同時(shí)通過(guò)一套全面的保護和診斷特性確保穩固性和可靠性。在廣泛的額定電壓和電流范圍上滿(mǎn)足了有刷直流電機、步進(jìn)電機和無(wú)刷直流電機的要求。

 

STSPIN820是一款256微步集成電機驅動(dòng)器，帶步進(jìn)時(shí)鐘和方向接口，集成在一個(gè)4 x 4mm的小型QFN封裝中，內含控制邏輯和低RDSon功率級。集成控制器實(shí)現PWM電流控制，具有固定的OFF時(shí)間和1/256th的微步分辨率。

 

圖5：STSPIN820過(guò)流和短路保護管理原理圖
 

對步進(jìn)電機而言，過(guò)流和短路保護非常重要。圖5所示的STSPIN820內嵌的保護電路能讓每路電源輸出免受過(guò)載和短路的沖擊。當觸發(fā)過(guò)電流或短路保護時(shí)，功率級將被禁用，開(kāi)漏MOSFET保持開(kāi)啟狀態(tài)，直到EN故障輸入降至VRELEASE閾值以下，然后通過(guò)外部REN電阻器對CEN電容器進(jìn)行充電。

 

結語(yǔ)

 

現在，電機已經(jīng)遍布在我們生活的每個(gè)角落，它們可以在洗衣機、烘干機、冰箱、汽車(chē)、風(fēng)扇、水泵、空調和大量的其他產(chǎn)品中找到。對于這樣一個(gè)能耗“大戶(hù)”，它們需要盡可能高效地運行以減少能源消耗。因此，從最簡(jiǎn)單到最先進(jìn)的電機控制驅動(dòng)方案，它們都有共同的特質(zhì)：性能、可靠性、效率和精度要盡可能的“高”，尺寸、成本和上市時(shí)間要盡可能的“低”。如果您正在尋找合適的電機驅動(dòng)方案，希望本文能為您打開(kāi)項目的第一扇門(mén)。

（來(lái)源：電子創(chuàng )新網(wǎng)，貿澤工程師社區）