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2021年09月14日 | 10分钟就能完成BLDC调试，TI推出全集成式70W电机驱动
2021-09-14 来源：EEWORLD
噪音和能效问题，是目前小功率电机技术发展的主要需求点，作为电机开发工程师，将如何选择高能效、静音以及设计简便的电机驱动器？德州仪器电机驱动器业务部门总经理Kannan Soundarapandian日前结合电机市场的需求，介绍了TI全新的电机驱动器系列产品。
更低噪音与更高效率
目前，随着家用电器使用的增多，越来越多的电机被使用，噪音源也随之增多，从而影响环境体验。为了减少噪音可以使用三种方法，包括阻止传播、改变噪声以及从源头解决三种方式。通过选择无刷直流电机（BLDC），可消除电刷磨损以及电刷接触所产生的噪声，从而方便从源头解决噪音问题，正在逐步被市场所接受。
Kannan总结的日常家用电器的噪音强度
而针对能效问题，Kannan表示，目前全球45%的能源被电机所消耗，随着各国对环保的要求日益苛刻，因此各家厂商都在想尽办法提升产品效率，其中电机更新是重要一项指标。BLDC由于没有电刷损耗，效率相对传统有刷电机来说有显著提高，也正因此厂家开始广泛将电机切换至BLDC。
此外，BLDC还具有更好的操作性以及免维护等特性，在市场上越来越流行。据Grand View Research统计，2020年BLDC的市场规模为171亿美元。预计今年的市场规模为179亿美元。预计未来几年的年复合增长率为5.7%。
尽管如此，Kannan表示，BLDC的市场普及还存在诸多痛点，目前BLDC的主要开发系统都是由MCU+栅极驱动器+驱动或者MCU+集成 MOSFET 的电机驱动器构成，所以会存在如下三个问题：
首先是系统控制软件复杂，开发周期长；其次是硬件系统复杂，需要很多周边器件进行采样、开关切换驱动等；第三则是系统成本的增加。
如何应对BLDC的挑战
TI日前推出了业内先进的70W无刷直流 (BLDC) 电机驱动器MCF8316A和MCT8316A，用于提供无需编程无传感器的梯形和磁场定向控制 (FOC)。新发布的器件使工程师能够在10分钟内启动BLDC电机，为工程师设计各种工业系统（如大型和小型家用电器）和医疗应用（如呼吸机和持续气道正压通气机器）减少了数周的设计时间。通过集成实时控制功能和包括MOSFET在内的多达18个分立式元件，新驱动器加快了系统响应，并缩小高达70%的布板空间，同时提供出色的声学性能。
Kannan指出，TI全新的电机驱动器，可以从诸多方面加速BLDC的开发周期，并减少系统成本。
十分钟完成电机调试
首先，全新的电机驱动器系列无需编程，两款产品分别采用磁场定向控制和梯形控制方案，无需磁编码器，客户可以直接使用。无代码电机驱动器内置了控制换向算法，可以消除电机控制软件的开发、维护和认证。无代码电机驱动器还管理关键功能，如电机故障检测，并实施保护机制，使整个系统设计更加可靠。这些设备可以配备来自 Underwriters Laboratories 等认证机构的预认证控制算法实现，从而使原始设备制造商能够缩短其家用电器的设计时间。
Kannan表示，无需编程带来便利性的同时，也带来了一定的局限性，毕竟无需编程就意味着很难针对不同电机进行参数调整。然而TI的全新电机驱动器在通过自动识别调优，省去开发时间的同时，也赋予了工程师一些二次开发的能力。
TI的无传感器磁场定向控制 (FOC) 电机驱动器可自行提取电机参数，消除生产差异并提供一致的性能。同时，自动调谐电流环路可加快电机调谐速度。而针对噪音问题，控制低噪音电机非常困难，必须使用接近正弦波的、非常干净和平滑的电流来驱动电机。如果正弦波有任何失真，就会产生可听噪声。并且还需要非常准确地测量电机位置，以便正确驱动电机。TI 高精度FOC控制方案和享有专利的精密自动死区时间补偿可降低现有应用中的噪声，器件在驱动笔记本电脑风扇时，可将噪声降低多达2 dBA。
TI的无传感器梯形控制电机驱动器具有用于电机调谐的五个硬件引脚，通过简单配置就可以实现电机控制，可缩短设计时间；并且自带闭环控制，无需使用微控制器 (MCU) 接口。并针对扫地机器人等需要快速实时控制的应用提供高达3.5 kHz的电机速度。支持工程师利用先进的控制技术轻松优化声学性能。
两款器件都可自动调节减速，提供快速实时控制，从而防止总线电压浪涌。并且，两款产品均采用了磁场定向实时控制，一方面可以快速响应客户目标设定的变化，另外也可以快速应对外部复杂的负载变化，与传统控制技术相比，速度提升了50%。“比如当吸尘器突然遇到大的纸片时，利用实时控制技术，吸力仍然不会变小。”Kannan举例道。
同时，开发界面采用了友好的GUI，可直接勾选多种电机操作配置选项，开发者可以快速完成调试优化过程。
Kannan总结道：“一般根据经验数据，一个资深的电气工程师要去调谐一个电机需要花费数周或数月。TI MC产品则可以把调试时间缩短到10分钟。”
高集成度的电机驱动器
全新的电机驱动由于集成了控制，驱动以及功率器件，因此尺寸最多相比分立器件要小70%左右。TI集成的功率级产品沿续了DRV系列的功率级产品，DRV8316 和MCF8316A在名称中共享相同的“8316”，这表明MCF8316A具有DRV8316的功率级。
除了电机驱动的三大要素之外，TI MC系列电机驱动还集成了包括电源管理、电流检测电阻、电流分流放大器、电压检测电路、模数转换器等多种组件，极大地降低了周边系统的开发难度。
MCF8316A和MCT8316A的系统简要框图
Kannan表示，目前TI的整合方案只针对70W电机应用，这是因为当驱动功率超过 100 W 时，我们发现带有外部 MOSFET 的栅极驱动器解决方案散热效果最好。不过其也表示，未来随着效率的不断提高，MCx系列产品将会支持更高功率的电机应用。
史海拾趣
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