【導(dǎo)讀】根據(jù)《世界能源關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)》的調(diào)查分析，工業(yè)領(lǐng)域約占全球電力消耗的40%以上。其中，約有70%的能耗來(lái)自電機(jī)。在全球范圍內(nèi)，數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的電機(jī)正運(yùn)行于機(jī)械、風(fēng)扇、泵、壓縮機(jī)、傳送帶等設(shè)備中，這些電機(jī)約占全球電力消耗的28%。
根據(jù)《世界能源關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)》的調(diào)查分析，工業(yè)領(lǐng)域約占全球電力消耗的40%以上。其中，約有70%的能耗來(lái)自電機(jī)。在全球范圍內(nèi)，數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的電機(jī)正運(yùn)行于機(jī)械、風(fēng)扇、泵、壓縮機(jī)、傳送帶等設(shè)備中，這些電機(jī)約占全球電力消耗的28%。而每年還有數(shù)百萬(wàn)臺(tái)新電機(jī)被安裝在世界各地的工廠、辦公室和其他工作場(chǎng)所。歐盟委員會(huì)的一項(xiàng)研究表明，到2030年，僅工業(yè)電機(jī)的全球節(jié)能潛力就達(dá)13286太瓦時(shí)，相當(dāng)于11.4億噸油當(dāng)量，僅次于采暖應(yīng)用。由此可以看出，為這些運(yùn)行在世界各地的電機(jī)找一個(gè)好“管家”，選擇一款合適的驅(qū)動(dòng)和控制IC，是多么的重要！
電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)控制器的產(chǎn)品分類
在尋找合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制IC之前，我們首先要做這樣一件事，那就是項(xiàng)目中你打算使用哪種類型的電機(jī)。
按產(chǎn)品類別劃分，目前的電機(jī)類型主要包括有刷直流電機(jī)（BDC）、無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）、永磁同步電機(jī)（PMSM）、交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）、步進(jìn)電機(jī)（Stepper）、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）等6種。其中，有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是最常用的3種電機(jī)類型。根據(jù)公開(kāi)的數(shù)據(jù)，有刷直流電機(jī)的使用率相對(duì)較高，約占整個(gè)電機(jī)市場(chǎng)一半左右的份額。無(wú)刷直流電機(jī)的需求量近幾年開(kāi)始出現(xiàn)一定的增長(zhǎng)，市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)FMI預(yù)測(cè)，2018年至2027年間，無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的需求預(yù)計(jì)將創(chuàng)造6.177億美元的增量機(jī)會(huì)。
有刷直流電機(jī)是三種電機(jī)中最簡(jiǎn)單的一種，具有啟動(dòng)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(diǎn)，在玩具和其他對(duì)成本敏感的應(yīng)用中最常見(jiàn)。最近幾年，有刷直流電機(jī)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)門鎖中都有它的身影。控制有刷直流電機(jī)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需改變施加在電機(jī)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(xiàn)。
無(wú)刷直流電機(jī)可以看做是永磁同步電機(jī)的一種，在機(jī)械上比有刷直流電機(jī)簡(jiǎn)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(jī)的先天性缺陷，以電子換向器取代了機(jī)械換向器，因此，無(wú)刷直流電機(jī)既有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能，又有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于計(jì)算機(jī)風(fēng)扇、工業(yè)設(shè)備等場(chǎng)合。然而，它們?cè)诠ぷ髦行枰_的控制，以實(shí)現(xiàn)更高的效率。
永磁同步電機(jī)PMSM通常用于高性能和高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)。PMSM電機(jī)與BLDC電機(jī)本質(zhì)上區(qū)別不大，在現(xiàn)代各種電機(jī)應(yīng)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：利用我們的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列，能最大限度地提高三相無(wú)刷電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）的性能。
交流感應(yīng)電機(jī)ACIM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，而且可從AC線路電壓中直接操作，在消費(fèi)電子類應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用中頗受歡迎。
步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，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(jī)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(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，例如臺(tái)式打印機(jī)、3D打印機(jī)、安全攝像頭、相機(jī)鏡頭、醫(yī)療掃描儀、智能照明和數(shù)控銑床等。
步進(jìn)電機(jī)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(jī)控制的挑戰(zhàn)在于避免失速，失速可引起電機(jī)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(qū)動(dòng)器仍在全力工作時(shí)，電機(jī)就會(huì)失速。因此，在設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)SRM是一種新型調(diào)速電機(jī)，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)后的新一代調(diào)速系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，調(diào)速范圍寬，系統(tǒng)可靠性高。
電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)IC市場(chǎng)前景可期
我們常說(shuō)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)其實(shí)包含兩層含義，一是控制，二是驅(qū)動(dòng)。電機(jī)控制器是一種新型的集成電路（IC），在為多相電機(jī)（如無(wú)刷直流電機(jī)和三相交流感應(yīng)電機(jī)）構(gòu)建高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的同時(shí)，可以節(jié)省大量的工程費(fèi)用。這些控制器專為滿足低成本、變速和三相交流電機(jī)控制系統(tǒng)的要求而設(shè)計(jì)，比如低功率HVAC電機(jī)、商業(yè)洗衣機(jī)和洗碗機(jī)、過(guò)程控制、泵和風(fēng)扇等。
按行業(yè)劃分，全球電機(jī)控制IC市場(chǎng)分為汽車、樓宇控制、工業(yè)自動(dòng)化、消費(fèi)電子、醫(yī)療保健等。機(jī)器人領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制芯片需求的增長(zhǎng)是推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)電機(jī)控制IC市場(chǎng)的主要因素之一。汽車工業(yè)的發(fā)展是支撐全球電機(jī)控制IC增長(zhǎng)的另一支有生力量。此外，電機(jī)控制IC在消費(fèi)電子產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，這也將是推動(dòng)電機(jī)控制IC市場(chǎng)增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。
根據(jù)權(quán)威分析機(jī)構(gòu)FMI的預(yù)測(cè)，到2027年，全球電機(jī)控制IC市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將從2017年的39.05億美元基礎(chǔ)上增長(zhǎng)5.0%，相當(dāng)于擁有63.44億美元的市場(chǎng)潛力，而增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)因素主要來(lái)自于醫(yī)療和汽車制造設(shè)備中使用的電機(jī)控制芯片。
那么，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器又有什么作用呢？它和電機(jī)控制器之間有什么區(qū)別？從電機(jī)的工作原理來(lái)看，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器只負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)控制器。電機(jī)控制器內(nèi)置所有邏輯電路，可由更高級(jí)別的接口（如PWM信號(hào)、USB、模擬輸入等）進(jìn)行控制。在價(jià)格上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常比控制器要低一些。現(xiàn)在，企業(yè)在提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案時(shí)，往往將控制部分和驅(qū)動(dòng)部分集成在一起，用戶拿到的就是一個(gè)整體的解決方案。
如何為你的項(xiàng)目選擇一個(gè)合適的電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器？
在消費(fèi)電子產(chǎn)品、家用電器、計(jì)算機(jī)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(yùn)動(dòng)或精確定位，就離不開(kāi)電機(jī)。上文我們已經(jīng)提到，常用的電機(jī)類型有三種，即有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)電機(jī)的不同，我們需要尋找的電機(jī)控制驅(qū)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(yùn)行噪聲，已成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體優(yōu)化是在給定的投資條件下有效實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)方案往往是一個(gè)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(jī)驅(qū)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(bào)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(lái)源主要集中在工業(yè)應(yīng)用（占銷售額的36%）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是TI 重要的產(chǎn)品分支，它提供的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減少了電路板空間，還能有效降低系統(tǒng)成本。從具有簡(jiǎn)單控制接口的集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器到智能門驅(qū)動(dòng)器和功能安全設(shè)備，TI 的產(chǎn)品能幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師盡可能地提高電機(jī)性能。
在介紹具體的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案之前，我們有必要先來(lái)看一下在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中常常被提到的H橋是怎么回事，因?yàn)镠橋是驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)最常用的方式。圖1是H橋的工作原理圖，它使用兩對(duì)晶體管（通常是MOSFET）來(lái)控制電流流過(guò)電機(jī)的方向。通過(guò)改變電流的方向，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向就會(huì)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(dòng)器，我們就會(huì)得到適用于各種工業(yè)、個(gè)人電子和汽車應(yīng)用的有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案。綜合來(lái)看，有刷直流電機(jī)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(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)都需要特定類型的信號(hào)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(jī)驅(qū)動(dòng)器可對(duì)有刷和無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或其他電子機(jī)械傳動(dòng)器等電磁設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。借助TI DRV8x系列集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)人員可快速、輕松地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，縮短上市時(shí)間，并極大地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。通過(guò)集成柵極驅(qū)動(dòng)電路、感應(yīng)放大器、保護(hù)裝置、FETS、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制接口，并采用驅(qū)動(dòng)算法，便可大幅改善設(shè)計(jì)復(fù)雜度、電路板空間以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間。此外，DRV8x系列還提供過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓閉鎖和超溫的內(nèi)部停機(jī)功能。
圖2：簡(jiǎn)化的DRV8840工作原理圖（圖片來(lái)源：TI DRV8840）
其中，DRV8840專為打印機(jī)、掃描儀和其他自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用提供集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。該裝置有一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)有刷直流電機(jī)。DRV8828可以從8.2V到45V的單電源供電，提供高達(dá)5A的峰值或3.5A的輸出電流（在24V和25°C下適當(dāng)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(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的大小。
Maxim公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MAX14872，有一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)的邏輯電平輸入和一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的邏輯電平輸入，以及一個(gè)可以用來(lái)關(guān)閉設(shè)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(jī)控制參考設(shè)計(jì)，該方案基于其Kinetis系列MCU，為三相無(wú)傳感器BLDC電機(jī)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(jī)電流限制。集成了全面的模擬功能，為BLDC電機(jī)控制應(yīng)用提供高性能解決方案。
圖4：NXP公司3相無(wú)刷直流電機(jī)控制方框圖（圖片來(lái)源：NXP官網(wǎng)）
意法半導(dǎo)體（ST）的STSPIN電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系列集成了以極高精度高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的所有功能，并且包括一個(gè)可降低主微控制器負(fù)荷的先進(jìn)運(yùn)動(dòng)輪廓生成器，同時(shí)通過(guò)一套全面的保護(hù)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(jī)、步進(jìn)電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)的要求。
STSPIN820是一款256微步集成電機(jī)驅(qū)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(nèi)含控制邏輯和低RDSon功率級(jí)。集成控制器實(shí)現(xiàn)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(hù)管理原理圖
對(duì)步進(jìn)電機(jī)而言，過(guò)流和短路保護(hù)非常重要。圖5所示的STSPIN820內(nèi)嵌的保護(hù)電路能讓每路電源輸出免受過(guò)載和短路的沖擊。當(dāng)觸發(fā)過(guò)電流或短路保護(hù)時(shí)，功率級(jí)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(duì)CEN電容器進(jìn)行充電。
結(jié)語(yǔ)
現(xiàn)在，電機(jī)已經(jīng)遍布在我們生活的每個(gè)角落，它們可以在洗衣機(jī)、烘干機(jī)、冰箱、汽車、風(fēng)扇、水泵、空調(diào)和大量的其他產(chǎn)品中找到。對(duì)于這樣一個(gè)能耗“大戶”，它們需要盡可能高效地運(yùn)行以減少能源消耗。因此，從最簡(jiǎn)單到最先進(jìn)的電機(jī)控制驅(qū)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(jī)驅(qū)動(dòng)方案，希望本文能為您打開(kāi)項(xiàng)目的第一扇門。
（來(lái)源：電子創(chuàng)新網(wǎng)，貿(mào)澤工程師社區(qū)）
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