電機驅(qū)動和電機控制器的產(chǎn)品分類

 

在尋找合適的電機驅(qū)動和控制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型的電機。

 

按產(chǎn)品類別劃分，目前的電機類型主要包括有刷直流電機（BDC）、無刷直流電機（BLDC）、永磁同步電機（PMSM）、交流感應(yīng)電機（ACIM）、步進電機（Stepper）、開關(guān)磁阻電機（SRM）等6種。其中，有刷直流電機、無刷直流電機和步進電機是最常用的3種電機類型。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，有刷直流電機的使用率相對較高，約占整個電機市場一半左右的份額。無刷直流電機的需求量近幾年開始出現(xiàn)一定的增長，市場分析機構(gòu)FMI預(yù)測，2018年至2027年間，無刷直流電機對電機驅(qū)動IC的需求預(yù)計將創(chuàng)造6.177億美元的增量機會。

 

有刷直流電機是三種電機中最簡單的一種，具有啟動響應(yīng)速度快、扭矩大、變速平穩(wěn)、控制精度高以及使用成本低等特點，在玩具和其他對成本敏感的應(yīng)用中最常見。最近幾年，有刷直流電機也開始進入家用電器領(lǐng)域，比如電動百葉窗和電動門鎖中都有它的身影?？刂朴兴⒅绷麟姍C相對簡單，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H橋和微控制器（MCU）來實現(xiàn)。

 

無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單，通常轉(zhuǎn)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，無刷直流電機既有直流電機良好的調(diào)速性能，又有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點，非常適用于計算機風扇、工業(yè)設(shè)備等場合。然而，它們在工作中需要精確的控制，以實現(xiàn)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(qū)動。PMSM電機與BLDC電機本質(zhì)上區(qū)別不大，在現(xiàn)代各種電機應(yīng)用中，兩者之間有時可以互相替換。在TI 的官網(wǎng)中就有這樣一段話：利用我們的BLDC電機驅(qū)動器產(chǎn)品系列，能最大限度地提高三相無刷電機和永磁同步電機（PMSM）的性能。

 

交流感應(yīng)電機ACIM結(jié)構(gòu)簡單、可靠，而且可從AC線路電壓中直接操作，在消費電子類應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用中頗受歡迎。

 

步進電機又稱為脈沖電機，只有周期性的誤差而無累積誤差這一特點，使得步進電機在數(shù)字控制系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，尤其是那些需要高精度角運動的設(shè)計，例如臺式打印機、3D打印機、安全攝像頭、相機鏡頭、醫(yī)療掃描儀、智能照明和數(shù)控銑床等。

 

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

 

開關(guān)磁阻電機SRM是一種新型調(diào)速電機，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)后的新一代調(diào)速系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)簡單堅固，調(diào)速范圍寬，系統(tǒng)可靠性高。

 

電機控制和驅(qū)動IC市場前景可期

 

我們常說的電機驅(qū)動其實包含兩層含義，一是控制，二是驅(qū)動。電機控制器是一種新型的集成電路（IC），在為多相電機（如無刷直流電機和三相交流感應(yīng)電機）構(gòu)建高性能電機驅(qū)動器的同時，可以節(jié)省大量的工程費用。這些控制器專為滿足低成本、變速和三相交流電機控制系統(tǒng)的要求而設(shè)計，比如低功率HVAC電機、商業(yè)洗衣機和洗碗機、過程控制、泵和風扇等。

 

按行業(yè)劃分，全球電機控制IC市場分為汽車、樓宇控制、工業(yè)自動化、消費電子、醫(yī)療保健等。機器人領(lǐng)域?qū)﹄姍C控制芯片需求的增長是推動工業(yè)自動化行業(yè)電機控制IC市場的主要因素之一。汽車工業(yè)的發(fā)展是支撐全球電機控制IC增長的另一支有生力量。此外，電機控制IC在消費電子產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，這也將是推動電機控制IC市場增長的關(guān)鍵因素之一。

 

根據(jù)權(quán)威分析機構(gòu)FMI的預(yù)測，到2027年，全球電機控制IC市場的復(fù)合年增長率將從2017年的39.05億美元基礎(chǔ)上增長5.0%，相當于擁有63.44億美元的市場潛力，而增長的驅(qū)動因素主要來自于醫(yī)療和汽車制造設(shè)備中使用的電機控制芯片。

 

那么，電機驅(qū)動器又有什么作用呢？它和電機控制器之間有什么區(qū)別？從電機的工作原理來看，電機驅(qū)動器只負責控制驅(qū)動電機的功率，而邏輯和數(shù)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(nèi)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）進行控制。在價格上，電機驅(qū)動器通常比控制器要低一些?，F(xiàn)在，企業(yè)在提供電機驅(qū)動解決方案時，往往將控制部分和驅(qū)動部分集成在一起，用戶拿到的就是一個整體的解決方案。

 

如何為你的項目選擇一個合適的電機控制驅(qū)動器？

 

在消費電子產(chǎn)品、家用電器、計算機和外圍設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和汽車等領(lǐng)域，只要我們需要連續(xù)運動或精確定位，就離不開電機。上文我們已經(jīng)提到，常用的電機類型有三種，即有刷直流電機、無刷直流電機和步進電機。根據(jù)電機的不同，我們需要尋找的電機控制驅(qū)動器解決方案也會有一定差別。

 

在能源短缺以及全球氣候變暖的雙重壓力下，更高能效、更出色動態(tài)性能和更低運行噪聲，已成為電機驅(qū)動設(shè)計的必然趨勢。電機驅(qū)動系統(tǒng)的整體優(yōu)化是在給定的投資條件下有效實現(xiàn)最高系統(tǒng)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(qū)動方案往往是一個整體的集成方案。

 

現(xiàn)在，全球排名前十（Top10）的模擬IC供應(yīng)商幾乎都有電機驅(qū)動IC業(yè)務(wù)。因此，市場上可供選擇的產(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銷售額中，模擬電路約占80%，業(yè)務(wù)來源主要集中在工業(yè)應(yīng)用（占銷售額的36%）。電機驅(qū)動器是TI 重要的產(chǎn)品分支，它提供的電機驅(qū)動器不僅簡化了設(shè)計，減少了電路板空間，還能有效降低系統(tǒng)成本。從具有簡單控制接口的集成電機驅(qū)動器到智能門驅(qū)動器和功能安全設(shè)備，TI 的產(chǎn)品能幫助系統(tǒng)設(shè)計師盡可能地提高電機性能。

 

在介紹具體的電機驅(qū)動方案之前，我們有必要先來看一下在電機驅(qū)動方案中常常被提到的H橋是怎么回事，因為H橋是驅(qū)動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）來控制電流流過電機的方向。通過改變電流的方向，電機的旋轉(zhuǎn)方向就會改變。憑借廣泛的電壓范圍和多種結(jié)構(gòu)，包括單H橋和多H橋驅(qū)動器，我們就會得到適用于各種工業(yè)、個人電子和汽車應(yīng)用的有刷直流電機驅(qū)動器方案。綜合來看，有刷直流電機的控制是最簡單的，沒有時間或協(xié)議的要求。而步進電機和無刷直流電機都需要特定類型的信號來控制。

 

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

TI DRV8x系列電機驅(qū)動器可對有刷和無刷電機、步進電機或其他電子機械傳動器等電磁設(shè)備進行驅(qū)動。借助TI DRV8x系列集成電機驅(qū)動器，設(shè)計人員可快速、輕松地實現(xiàn)電機的驅(qū)動，縮短上市時間，并極大地簡化設(shè)計。通過集成柵極驅(qū)動電路、感應(yīng)放大器、保護裝置、FETS、工業(yè)標準控制接口，并采用驅(qū)動算法，便可大幅改善設(shè)計復(fù)雜度、電路板空間以及電機驅(qū)動時間。此外，DRV8x系列還提供過流保護、短路保護、欠壓閉鎖和超溫的內(nèi)部停機功能。

 

圖2：簡化的DRV8840工作原理圖（圖片來源：TI DRV8840）
 

其中，DRV8840專為打印機、掃描儀和其他自動化設(shè)備應(yīng)用提供集成的電機驅(qū)動解決方案。該裝置有一個H橋驅(qū)動器，用于驅(qū)動一個有刷直流電機。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）。一個簡單的PHASE/ENBL接口可以方便地連接到外部控制器，用于調(diào)節(jié)驅(qū)動電流的大小。

 

Maxim公司的電機驅(qū)動器MAX14872，有一個正向旋轉(zhuǎn)的邏輯電平輸入和一個反向旋轉(zhuǎn)的邏輯電平輸入，以及一個可以用來關(guān)閉設(shè)備的有效低啟動引腳。

 

圖3：MAX14872工作原理圖（圖片來源：MAX14872）
 

圖4是NXP公司的三相無刷直流（BLDC）電機控制參考設(shè)計，該方案基于其Kinetis系列MCU，為三相無傳感器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(yīng)用提供高性能解決方案。

 

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

意法半導(dǎo)體（ST）的STSPIN電機驅(qū)動器系列集成了以極高精度高效驅(qū)動電機所需的所有功能，并且包括一個可降低主微控制器負荷的先進運動輪廓生成器，同時通過一套全面的保護和診斷特性確保穩(wěn)固性和可靠性。在廣泛的額定電壓和電流范圍上滿足了有刷直流電機、步進電機和無刷直流電機的要求。

 

STSPIN820是一款256微步集成電機驅(qū)動器，帶步進時鐘和方向接口，集成在一個4 x 4mm的小型QFN封裝中，內(nèi)含控制邏輯和低RDSon功率級。集成控制器實現(xiàn)PWM電流控制，具有固定的OFF時間和1/256th的微步分辨率。

 

圖5：STSPIN820過流和短路保護管理原理圖
 

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

 

結(jié)語

 

現(xiàn)在，電機已經(jīng)遍布在我們生活的每個角落，它們可以在洗衣機、烘干機、冰箱、汽車、風扇、水泵、空調(diào)和大量的其他產(chǎn)品中找到。對于這樣一個能耗“大戶”，它們需要盡可能高效地運行以減少能源消耗。因此，從最簡單到最先進的電機控制驅(qū)動方案，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、成本和上市時間要盡可能的“低”。如果您正在尋找合適的電機驅(qū)動方案，希望本文能為您打開項目的第一扇門。

（來源：電子創(chuàng)新網(wǎng)，貿(mào)澤工程師社區(qū)）