半導體技術可保持有刷電機的簡單性
2020/8/22 16:53:05 點擊：
[導讀] 想不到，有刷電機和白熾燈有許多共同點：都于19世紀發(fā)明和優(yōu)化，其易用性使它們在20世紀我們的日常生活中隨處可見，它們同樣都受到21世紀重視能效的法規(guī)的影響。現時白熾燈已大部分消失了，但更高能
想不到，有刷電機和白熾燈有許多共同點：都于19世紀發(fā)明和優(yōu)化，其易用性使它們在20世紀我們的日常生活中隨處可見，它們同樣都受到21世紀重視能效的法規(guī)的影響。現時白熾燈已大部分消失了，但更高能效的無刷電機仍只是緩慢的替代有刷電機。這一部分是因為成本的原因，也因為實施無刷電機系統時仍有顯著的技術挑戰(zhàn)。半導體技術促使便宜但能效低的白熾燈消失，同樣也可能使有刷電機走向同樣的結局。
電機到處都是，但不像燈泡，它們不是那么明顯。當有無生命的物理在移動時，很可能是由一個電機驅動。這些電機驅動我們家里的冰箱、洗碗機和洗衣機。它們開門、運行手扶電梯、垂直電梯和火車送我們去工作。在我們工作時它們煮咖啡、冷卻電腦和運行空調。在現代汽車中，采用20至50個電機為調節(jié)車鏡、前大燈和座椅、燃油泵、水泵和擋風玻璃液、以及輔助制動和轉向等多種不同的功能提供動力。將來，電機甚至會負責讓汽車自己移動。
在過去一個世紀，這些應用選擇的電機大多是有刷電機，因為它非常易于使用。像燈泡，只要通電就工作 – 反向電壓通過終端，電機將反轉方向。改變電壓，速度就變化。這簡單性可能因為電機內的機械式開關（換向器）使它旋轉。換向器由旋轉銅滑環(huán)和滑動接頭（稱為電刷）組成，旋轉銅滑環(huán)連接到旋轉電機線圈，滑動接頭令電流從固定電機外殼流向滑環(huán)。當電機線圈組件旋轉，線圈端子滑過電刷，指示電流流過線圈，以這樣一種方式保持旋轉。
圖1：有刷電機原理圖
雖然換向器使有刷電機易于使用，但它也是問題的主要來源。換向器易受機械磨損，限制了電機的使用壽命。電刷磨損產生灰塵，降低電機性能。此外，當電機電流沿滑環(huán)在線圈間流動，產生電弧。這樣的刷電弧產生臭氧，及造成噪聲和電子輻射，可能干擾電氣設備如電話、無線電和無線通信網絡。在有灰塵或可燃環(huán)境中，刷弧可能非常危險，因為它可引發(fā)火災甚至引起爆炸。換向器采用機械式電刷，也限制了電機高達70%的電能效；而無刷電機可實現高達90%的能效（如Nicola Tesla早在19世紀末顯示）。如果無刷電機比有刷電機更高能效、更可靠和更環(huán)保，為什么當今有刷電機仍然如此普遍？
就像白熾燈和LED燈，以一些更復雜和昂貴的東西取代一些便宜和簡單的東西，通常需要最初來自政府的強大壓力，直到大規(guī)模生產把價格降下來。國際能效標準（如北美的能源之星和歐盟的生態(tài)設計）強制企業(yè)去遵守。此外，消費者越來越關注環(huán)境和節(jié)能，現在更愿意在節(jié)能產品花錢，或者是出于良心的原因，又或者是為減少電費帳單。因此，能效除了作為純粹的法規(guī)要求，也被視為工程師將他們的產品與競爭對手區(qū)分開來的一種途徑。同樣，在汽車領域，汽車制造商已被要求通過不斷收緊的二氧化碳排放標準提升燃油經濟性。這可以許多創(chuàng)造性的方式實現，但一個可持續(xù)的方法是驅動傳統上連接到發(fā)動機及電機的系統。后者可更好地針對手頭任務進行優(yōu)化，只在必要時運行。一個很好的例子是動力轉向系統，它必須在停車時以空轉發(fā)動機提供最大的轉向支持。當動力轉向系統仍連接到發(fā)動機，它耗費大量的動力在總線，這時轉向最小，因此，汽車中的動力轉向系統成為第一個使用無刷電機的應用。隨著法規(guī)的日益嚴苛，無刷電機正被設計到液壓泵中提供制動支持、發(fā)動機冷卻風扇、燃油泵、油/水泵等等。
雖然以無刷電機取代傳統的有刷電機是提高能效和可靠性，同時消除噪聲和污染的快速路經，但無刷電機的實施對工程師是一重大挑戰(zhàn)。以前必須由換向器機械式完成的工作現在使用三相逆變器電氣化完成。逆變器需要一個門極驅動器，它通常由一個微控制器實施復雜的電機控制算法來控制。因此，開發(fā)這些應用的工程師不僅需要勝任硬件設計及微控制器編程，還需要深入了解電機物理學來設計最大的能效到系統中。有刷電機應用設計人員通常沒有這些技能，所以他們不愿意使用無刷電機。
這些工程師需要的是現成的方案，不需要深入設計和編程專知就能讓無刷電機運行。目的是使無刷電機應用開發(fā)就像有刷電機開發(fā)一樣簡單，以至應用工程師可專注于他們的專長到應用上，而不是如何使電機轉動。類似于LED燈取代白熾燈，半導體行業(yè)可支持轉向使用無刷電機部署，通過為客戶解決電機控制系統的復雜性。有利的是，有一些公司正開始應對挑戰(zhàn)。
有個例子是安森美半導體，已用其用于立體聲設備、磁盤驅動和冷卻風扇的“易于使用”的電機驅動器經驗，集中在工業(yè)和汽車用無刷電機的開發(fā)。特別地，公司推出高度集成的LV8907電機驅動IC，使無刷電機像有刷電機一樣易于使用，無需任何軟件開發(fā)。LV8907可用于12 V工業(yè)和消費電子應用，而且兼容汽車要求，只需6個功率開關和幾個分立電阻和電容。該IC負責啟動，無需傳感器換向和運行無刷電機所需的各種安全特性。在電機和應用相關參數通過SPI接口上傳后，控制電機速度所必需的是一個脈寬調制信號（PWM）-就像有刷電機應用一樣。所有相關參數可存儲在該器件的嵌入式非易失性（OTP）存儲器中，并將在應用的生命周期內保持固定。
雖然可使用一個開關用于固定速度模式，但LV8907的內置P-I速度控制回路結合PWM輸入，支持在不同電源電壓和負載條件下電機速度的精確調控。得益于該器件集成的保護功能，可保護應用免受過流、過壓和過溫及其它故障條件的損害。在堵轉的情況下，LV8907將停止驅動電機，并在設置間隔后再重啟。
總之，從有刷向無刷電機的過渡已在進行，出于能效的原因，和日益嚴格的政府法規(guī)正加速這開發(fā)。然而，由于這過渡涉及顯著的技術挑戰(zhàn)，他們仍存在障礙來增加無刷電機應用的范圍。通過引入無刷電機智能電機控制方案，半導體行業(yè)正提供越來越多的產品，消除這些障礙。因此，無刷電機，像LED燈，可能隨著21世紀引進新技術來應對環(huán)境的挑戰(zhàn)而越來越普遍。也許很快，有刷電機就像白熾燈一樣成為歷史。
想不到，有刷電機和白熾燈有許多共同點：都于19世紀發(fā)明和優(yōu)化，其易用性使它們在20世紀我們的日常生活中隨處可見，它們同樣都受到21世紀重視能效的法規(guī)的影響。現時白熾燈已大部分消失了，但更高能效的無刷電機仍只是緩慢的替代有刷電機。這一部分是因為成本的原因，也因為實施無刷電機系統時仍有顯著的技術挑戰(zhàn)。半導體技術促使便宜但能效低的白熾燈消失，同樣也可能使有刷電機走向同樣的結局。
電機到處都是，但不像燈泡，它們不是那么明顯。當有無生命的物理在移動時，很可能是由一個電機驅動。這些電機驅動我們家里的冰箱、洗碗機和洗衣機。它們開門、運行手扶電梯、垂直電梯和火車送我們去工作。在我們工作時它們煮咖啡、冷卻電腦和運行空調。在現代汽車中，采用20至50個電機為調節(jié)車鏡、前大燈和座椅、燃油泵、水泵和擋風玻璃液、以及輔助制動和轉向等多種不同的功能提供動力。將來，電機甚至會負責讓汽車自己移動。
在過去一個世紀，這些應用選擇的電機大多是有刷電機，因為它非常易于使用。像燈泡，只要通電就工作 – 反向電壓通過終端，電機將反轉方向。改變電壓，速度就變化。這簡單性可能因為電機內的機械式開關（換向器）使它旋轉。換向器由旋轉銅滑環(huán)和滑動接頭（稱為電刷）組成，旋轉銅滑環(huán)連接到旋轉電機線圈，滑動接頭令電流從固定電機外殼流向滑環(huán)。當電機線圈組件旋轉，線圈端子滑過電刷，指示電流流過線圈，以這樣一種方式保持旋轉。
圖1：有刷電機原理圖
雖然換向器使有刷電機易于使用，但它也是問題的主要來源。換向器易受機械磨損，限制了電機的使用壽命。電刷磨損產生灰塵，降低電機性能。此外，當電機電流沿滑環(huán)在線圈間流動，產生電弧。這樣的刷電弧產生臭氧，及造成噪聲和電子輻射，可能干擾電氣設備如電話、無線電和無線通信網絡。在有灰塵或可燃環(huán)境中，刷弧可能非常危險，因為它可引發(fā)火災甚至引起爆炸。換向器采用機械式電刷，也限制了電機高達70%的電能效；而無刷電機可實現高達90%的能效（如Nicola Tesla早在19世紀末顯示）。如果無刷電機比有刷電機更高能效、更可靠和更環(huán)保，為什么當今有刷電機仍然如此普遍？
就像白熾燈和LED燈，以一些更復雜和昂貴的東西取代一些便宜和簡單的東西，通常需要最初來自政府的強大壓力，直到大規(guī)模生產把價格降下來。國際能效標準（如北美的能源之星和歐盟的生態(tài)設計）強制企業(yè)去遵守。此外，消費者越來越關注環(huán)境和節(jié)能，現在更愿意在節(jié)能產品花錢，或者是出于良心的原因，又或者是為減少電費帳單。因此，能效除了作為純粹的法規(guī)要求，也被視為工程師將他們的產品與競爭對手區(qū)分開來的一種途徑。同樣，在汽車領域，汽車制造商已被要求通過不斷收緊的二氧化碳排放標準提升燃油經濟性。這可以許多創(chuàng)造性的方式實現，但一個可持續(xù)的方法是驅動傳統上連接到發(fā)動機及電機的系統。后者可更好地針對手頭任務進行優(yōu)化，只在必要時運行。一個很好的例子是動力轉向系統，它必須在停車時以空轉發(fā)動機提供最大的轉向支持。當動力轉向系統仍連接到發(fā)動機，它耗費大量的動力在總線，這時轉向最小，因此，汽車中的動力轉向系統成為第一個使用無刷電機的應用。隨著法規(guī)的日益嚴苛，無刷電機正被設計到液壓泵中提供制動支持、發(fā)動機冷卻風扇、燃油泵、油/水泵等等。
雖然以無刷電機取代傳統的有刷電機是提高能效和可靠性，同時消除噪聲和污染的快速路經，但無刷電機的實施對工程師是一重大挑戰(zhàn)。以前必須由換向器機械式完成的工作現在使用三相逆變器電氣化完成。逆變器需要一個門極驅動器，它通常由一個微控制器實施復雜的電機控制算法來控制。因此，開發(fā)這些應用的工程師不僅需要勝任硬件設計及微控制器編程，還需要深入了解電機物理學來設計最大的能效到系統中。有刷電機應用設計人員通常沒有這些技能，所以他們不愿意使用無刷電機。
這些工程師需要的是現成的方案，不需要深入設計和編程專知就能讓無刷電機運行。目的是使無刷電機應用開發(fā)就像有刷電機開發(fā)一樣簡單，以至應用工程師可專注于他們的專長到應用上，而不是如何使電機轉動。類似于LED燈取代白熾燈，半導體行業(yè)可支持轉向使用無刷電機部署，通過為客戶解決電機控制系統的復雜性。有利的是，有一些公司正開始應對挑戰(zhàn)。
有個例子是安森美半導體，已用其用于立體聲設備、磁盤驅動和冷卻風扇的“易于使用”的電機驅動器經驗，集中在工業(yè)和汽車用無刷電機的開發(fā)。特別地，公司推出高度集成的LV8907電機驅動IC，使無刷電機像有刷電機一樣易于使用，無需任何軟件開發(fā)。LV8907可用于12 V工業(yè)和消費電子應用，而且兼容汽車要求，只需6個功率開關和幾個分立電阻和電容。該IC負責啟動，無需傳感器換向和運行無刷電機所需的各種安全特性。在電機和應用相關參數通過SPI接口上傳后，控制電機速度所必需的是一個脈寬調制信號（PWM）-就像有刷電機應用一樣。所有相關參數可存儲在該器件的嵌入式非易失性（OTP）存儲器中，并將在應用的生命周期內保持固定。
雖然可使用一個開關用于固定速度模式，但LV8907的內置P-I速度控制回路結合PWM輸入，支持在不同電源電壓和負載條件下電機速度的精確調控。得益于該器件集成的保護功能，可保護應用免受過流、過壓和過溫及其它故障條件的損害。在堵轉的情況下，LV8907將停止驅動電機，并在設置間隔后再重啟。
總之，從有刷向無刷電機的過渡已在進行，出于能效的原因，和日益嚴格的政府法規(guī)正加速這開發(fā)。然而，由于這過渡涉及顯著的技術挑戰(zhàn)，他們仍存在障礙來增加無刷電機應用的范圍。通過引入無刷電機智能電機控制方案，半導體行業(yè)正提供越來越多的產品，消除這些障礙。因此，無刷電機，像LED燈，可能隨著21世紀引進新技術來應對環(huán)境的挑戰(zhàn)而越來越普遍。也許很快，有刷電機就像白熾燈一樣成為歷史。
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