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簡化BLDC馬達設計的FOC控制技術
量身定制的解決方案可提高效率和精度

【作者: 簡文烯】   2013年03月18日 星期一

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圖一 :  用更小、更高效的 BLDC 馬達代替傳統的 AC 馬達可以節約能源並降低成本,但 BLDC 控制所需的演算法非常複雜,以至於很多設計師都不願進行轉換。為 BLDC 馬達控制而專門設計的專用 IC 可以令這項工作變得更為容易。
圖一 : 用更小、更高效的 BLDC 馬達代替傳統的 AC 馬達可以節約能源並降低成本,但 BLDC 控制所需的演算法非常複雜,以至於很多設計師都不願進行轉換。為 BLDC 馬達控制而專門設計的專用 IC 可以令這項工作變得更為容易。

從手機中的小型振動馬達到家用洗衣機和空調中使用的更複雜的馬達,馬達已成為消費領域中的日常裝置。馬達同樣也是工業領域中的一個重要組成部分,在很多應用中廣泛運用,如驅動風扇、泵等各種機械設備。這些馬達的能量消耗是非常巨大的:研究表明,僅在中國,馬達所消耗的能源占工業總能耗的 60% 至 70%,其中風扇和泵所消耗的能源占中國整體功耗的近四分之一。儘管這個數字在其他國家可能沒那麼高,但降低電子系統中的馬達能耗已在全球成為必須優先考量的議題。


一個多世紀以來,傳統的交流 (AC) 馬達已被廣泛使用。交流馬達是設計最簡單的感應馬達,但他們卻造成了大量能源的浪費。這是因為交流馬達只輸出恒定速度,不能隨工作條件的變化進行自我調整。現在已有一些調節交流馬達速度的簡單方法(例如,可以提供三種速度選擇的標準家用風扇),但這些方法的應用範圍有限,而且難以轉移到更為複雜的系統。


但對於直流 (DC) 馬達,可以通過改變電壓來改變和控制速度,從而根據應用需要來加快或減慢工作速度。這可以節省大量的能源,因為馬達可以根據需要的條件來運行。在一般情況下,DC 馬達比 AC 馬達更有效率。


BLDC馬達的優勢

DC 馬達可被設計為有刷馬達或無刷馬達。無刷直流 (BLDC) 馬達通常是大多數應用的最佳選擇。這種馬達更可靠、更安靜,產生的電磁輻射更少,並且更為安全,因為它們消除了由於電刷和換向器而產生的火花。BLDC 馬達體積更小、效率更高,這意味著它們需要使用更少的能源。


BLDC 馬達的運行溫度低於 AC 馬達,更為高效的設計使得其內部零件產生的熱量更少。 這不僅能夠增加軸承系統的使用壽命,還能夠提高電氣系統及風機的可靠性。


此外,BLDC 馬達的功率密度也高於 AC 馬達。對於相同的能量輸出,DC 馬達的體積和重量都小於 AC 馬達。這使得 BLDC 馬達的運輸和安裝更為容易且成本更低。


不過,使用 BLDC 馬達的麻煩之處在於系統需要更複雜的電子設備來管理馬達。馬達控制一向不是電子工程師的重點領域,許多開發人員因缺乏經驗或專業知識而無法輕鬆設計出必要的控制電路。BLDC 馬達的研發需要額外的時間和技術支援,這意味著需要更長的開發週期及更高的系統成本,這就使得系統製造商更難以從熟悉的 AC 馬達過渡到 BLDC 馬達。


然而,對於越來越多的製造商來說,使用 BLDC 馬達產生的複雜性並不會隨著市場對更節能家電需求的增加而有所抵銷。 2011 年 IMS 調查顯示,中國大約 40% 的空調採用了變頻控制 BLDC 馬達。這種情況呈上升趨勢,並且,在某種程度上,得助於因專為 BLDC 馬達控制而設計的專用電路。


無感測器磁場導向控制技術

用於控制 BLDC 馬達的傳統方法採用的是驅動定子的六步過程,由此在產生的轉矩上產生脈動。所謂的「六步方波」過程採用霍爾效應感測器來檢測 BLDC 馬達中的永磁位置。


六步過程相對簡單,但容易產生噪音,並且對於需要根據條件的變化快速改變馬達轉速的更先進應用來說,其回應能力不足。以洗衣機為例,負載根據所選擇的洗滌週期有所不同,並且在整個週期過程中也有所變化。在滾筒式洗衣機中,這種情況更加複雜,當衣物旋轉到滾筒頂端時,重力會對馬達產生影響。


在這些情況下,需要一個更先進的演算法。磁場導向控制 (FOC) 能夠提供速度快速變化所需的回應時間,已成為當今更先進節能家電的馬達控制方法選擇。


有多種方式可以實現 FOC。其中一個方法是使用感測器(與六步方波過程方法類似),但感測器較難以安裝和維護,尤其是在應用涉及複雜線束或馬達暴露在水中時。實現 FOC 更簡單、更具成本效益的方法是取消感測器。無感測器 FOC 涉及由永久磁鐵在轉子上產生的恒定轉子磁場,是一種非常有效的控制方法。


FOC 方法可以讓馬達在全轉速範圍內順利運轉,在零速時產生最大轉矩,並能夠快速加速和減速。事實上,由於馬達的尺寸小、成本和功耗低,無感測器 FOC 的諸多優勢使其在對性能要求較低的應用中成為廣受歡迎的選擇。


特定應用解決方案

即便如此,實現無感測器 FOC 需要複雜的數學演算法,這對於普通設計人員來說可能並不熟悉。在過去,設計師們通常依賴於複雜的數位訊號處理 (DSP) 晶片來實現無感測器 FOC。以快捷半導體的 FCM8531 為例,它為工程師們提供了專門的解決方案,使得開發無感測器 FOC 應用變得更為容易。


針對採用無感測器磁場導向控制 (FOC) 的系統,快捷半導體提供了一種配置有並行核心處理器的特定應用控制裝置 FCM8531。 如圖 1 所示,FCM8531 由一個先進馬達控制器 (AMC) 處理器和一個 8 位相容 80C51 的 MCU 處理器組成。



圖二 :  FOC馬達控制 IC功能方塊圖(以FCM8531為例)
圖二 : FOC馬達控制 IC功能方塊圖(以FCM8531為例)

AMC 是一個專為馬達控制而設計的核心處理器。它整合了一個可配置的處理核心處理器和週邊電路,執行無感測器 FOC 馬達控制。系統控制、使用者介面、通信介面和輸入/輸出介面均可通過嵌入式 80C51 MCU來針對不同的馬達應用進行程式設計。


FCM8531 的並行核心處理器的優勢是,兩個處理器可以獨立工作,相互補充。 AMC 處理專門用於馬達控制的任務,如馬達控制演算法、PWM 控制、電流檢測、即時過電流保護和馬達角度運算。 嵌入式 MCU 通過通訊介面向 AMC 提供馬達控制命令,來執行馬達控制活動。 複雜的馬達控制演算法在 AMC 中執行,因此,這種方法可減少軟體負擔,並簡化控制系統程式。


我們為使用者提供可用於開發軟體、編譯程式及進行即時調試的馬達控制開發系統 (MCDS) IDE 和 MCDS 編程工具。設計人員可從函式庫中選擇適合的函式,快速編譯程式控制功能和通訊協議,從而實現以前只能在高層次 DSP 上實現的效果。


結論

從能耗角度來看,消費類電子產品和工業設備從傳統的 AC 馬達過渡到體積更小、更為高效的 BLDC 馬達具有重大意義,但設計 BLDC 控制演算法的複雜性阻止了工程師們實現這種過渡的積極性。為 BLDC 馬達控制而專門設計的專用 IC,如快捷半導體的 FCM8531,使開發人員更易於採用 BLDC 馬達,有助於加快向更高效模式的過渡與轉換。


(作者任職於快捷半導體)


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