帮助工程师重新定义BLDC电机控制设计

日期:2013-04-22
 
 
作者:刘洪,PSDC主编
 
飞兆半导体公司推出了FCM8531模拟及数字集成式电机控制器,它是一款定制的可配置解决方案,配有帮助电机控制设计人员缩短上市时间且最小化软件设计工作的用户指南、参考设计和评测板,可以有效地帮助设计人员应对开发电机应用的成本和软件负担。飞兆半导体BLDC产品线市场经理简文烯详细介绍了这款全新BLDC/PMSM电机控制器。
 
 
挑战:既要高效节能又要实现简单
简文烯说,目前电机控制应用设计人员正在从传统的通用或交流电机设计转换到更为成熟的无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)设计。然而,如果设计人员不能有效获得高级、复杂的电机控制算法,不管选择哪一种方法都具有挑战性。这可能会导致巨大的研发资源支出及更长的设计时间。
他表示,高电机效率可以实现节能。在发展中国家,电机消耗的能量占据工业能源使用的60-70%;电机驱动电器(洗衣机、空调、风扇等)占据总体家庭功耗的70%左右;在全球,减少电子系统中电机使用的能量已成为优先选择。整个行业正在从AC电机转向BLDC电机。2010至2015年全球主要家用电器(MHA)出货量将增长32%,而BLDC/PMSM电机的采用比例也将增长一倍。理由是,与AC电机相比,BLDC电机完全安静、体积/重量小了33%-50%、转速可线性控制/根据工作负荷自动调节、温升仅为40-45℃、应用范围广、使用寿命长。
但是,使用BLDC电机也有新的挑战:新型电机需要更复杂的电子控制;通常要使用数字控制芯片,如DSP器件;使用BLDC电机的新挑战在于:传统电机行业的工程师了解电机的硬件,但是缺乏对电子控制算法和将复杂的数学计算转换为软件编码的经验和专有技术。因此,新的解决方案需要能够提供模块化的先进电机控制软件库;最大限度减少软件设计工作,但仍然提供可编程的系统控制和通信接口,用于实施附加功能;提供硬件保护和稳健的模拟控制器。
 
应对:采用新的架构
飞兆半导体公司开发了一种用于BLDC电机控制的新架构——混合(综合模拟和数字)控制器。它集成模拟和数字IC,AMC专用于电机控制;MCU是流程控制和通信接口的中心,管理速度控制面板、遥控装置或LED灯指示器等功能。
 


混合架构
 
混合架构的优势在于最少的软件工作。通过使用飞兆半导体配置和存储在AMC中的软件库,AMC可以执行FOC和DQ控制等强大算法,MCU仅需要简单的系统控制软件编程;具有可靠性,AMC和MCU均独立工作,避免系统中断;稳健的性能,硬件中基于AMC的实时逐周期电流保护检测PWM信号,并且在μs内关断OWM信号以防止系统损坏。
先进的电机控制软件库能够适应各种不同的电机设计,AMC可以配置不同的软件库。AMC软件现有:速度积分——无传感器FOC软件库用于具有静载的应用,比如台扇、空调扇和吊扇等;滑动模式——无传感器FOC软件库用于具有动态负载的应用,比如水泵、油泵和压缩机;霍尔接口——用于霍尔传感器电机控制系统的具有方波/正弦波驱动的软件库。
飞兆半导体为用户提供电机控制开发系统(MCDS)IDE和MCDS编程工具套件,用于开发软件、编写程序并执行在线调试;用户友好的接口减少了研究数据表和编码所需的时间和工作。
 
实现:使用FCM8531
FCM8531是一款三相混合BLDC/PMSM控制器,有两个并行处理器:一个先进的电机控制器(AMC)和一个嵌入式微控制器(MCU)。该产品针对复杂的电机控制应用,提供了一个完整的单芯片解决方案。这两个核心处理器独立工作,但通过有助于避免系统挂机并增强硬件保护的内部通信接口协作进行数据交换。FCM8531通过其集成式硬件控制器和MCU接口管理功能最大限度地减少软件负担,并实现了更高效且快速的负载响应电机系统。

 
 
FCM8531可实现简化功能的定制设计。其AMC能够适用各种电机设计,使用可配置和存储的飞兆半导体库执行功能强大的算法,如正弦波控制、磁场定向控制(FOC)及直接正交(DQ)控制},以提供高性能电机控制功能。与AMC配对使用的MCU接口使用户能轻易改变寄存器的值,满足不同电机操作流程及特点的要求。该器件非常适合于解决无速度传感器风扇应用中的启动抖动,以及各种风扇和泵应用中的噪音和低效率问题。FCM8531具有多种硬件保护功能,如过压保护和过流保护。其设计考虑及提供对所有故障模式的快速响应,同时嵌入式MCU可轻易地实现额外功能。
 

FCM8531混合电机控制器
 
飞兆半导体的电机控制开发系统(MCDS)由一个集成开发环境(IDE)和一个允许工程师配置AMC并为MCU开发代码的MCDS编程工具组成。该系统与处理核心一起提供一个集成式软件工程平台,有利于快速开发电机控制程序。MCDS-IDE易于使用并完善了设计目标时间表。当与MCDS编程工具套件一起使用时,可快速完成代码编程,从而可实时调整电机运行信号。
简文烯最后介绍说,飞兆半导体的电机控制产品组合中新增的FCM8531结合使用飞兆半导体的辅助电源、功率因数校正(PFC)、栅极驱动器、智能功率模块(SPM®)解决方案,则可提供完整的电机系统解决方案。正是这种类型的整体解决方案使飞兆半导体成为提供高度集成式产品的领导者。这些集成式产品可提供更佳的电源效率和系统可靠性,同时降低工程开发时间及系统成本。
www.fairchildsemi.com/cn

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