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電機設計發展趨勢及創新要求

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電機設計發展趨勢及創新要求

發布日期:2014-12-10 16:10 來源:http://www.vequoi.com 點擊:

  隨著節能成為全球范圍關注的焦點,電機設計的能效也日益成為一個引人關注的問題。電機驅動產品不斷配合行業發展的趨勢,幫助設計人員提升能效、降低能耗、提高可靠性、減少元件數量等等,在實現節能方面發揮著積極的作用。

  電機市場發展趨勢

  歷經百年的發展,電機的應用領域已非常廣泛。安森美半導體的電機驅動產品覆蓋的汽車及工業等領域的應用,正是電機市場主要趨勢的一個縮影。

  首先是汽車電氣化的趨勢,即汽車制造商用集成的高能效電機替代傳統內燃引擎動力,通常是用無刷直流(BLDC)電機替代皮帶和齒輪驅動,用于引擎蓋下的輔助元件,如泵、閥、供暖及空調、風扇等。由于BLDC電機具有相當優異的性能,也開始進入傳統上采用有刷直流(BDC)電機方案的其他應用。

  另一個趨勢是應用裝配率的提升增加了電機的安裝數量,如電機化供暖通風空調(HVAC)氣瓣控制(主要用于有刷直流及單極步進電機)也開始應用于較低端汽車的HVAC系統。

  BLDC電機在工業及電信中的應用也越來越普遍。典型應用包括風扇、鼓風機、泵及壓縮機。BLDC電機的能效比交流電機或開關磁阻電機更高。BLDC電機能實現低成本變速應用,特別是用于集成了無傳感器換相算法,從而能夠省卻外部傳感器。

  節能趨勢對電機驅動應用的新要求

  能源成本通常是電機整個壽命周期成本Z主要的部分。因此,采用更高效的電機可以節約大量能源。

  節能趨勢對電機驅動的新要求包括幾個方面,其一,能效是由所選擇的電機技術及電機結構決定的,因此要求選擇能將電能轉換為機械能的比例提升至Z高的電機。其次,要選擇可以將驅動器的功耗降至Z低并提高能效的驅動電路。其三,要通過提升電機驅動智能來實現優化的能耗方案。

  此外,一些應用還要求系統中不使用有刷電機(使用步進或無刷直流電機);而使用無傳感器換相(不使用電位計或霍爾傳感器反饋)、嵌入運動控制算法(用于低動力應用),將能效提到Z高,降低可聽噪聲,改善電磁干擾(EMC)性能等。另外,還有一些應用需要將驅動電路與電機緊鄰布設在機電致動器上,并通過總線(LIN、I2C等)連接至中央控制單元。

  提高電機設計能效的創新解決方案

  在快速、精確及動態的動作控制應用中,步進電機是越來越普及的一種選擇。隨著電機技術的發展,智能驅動器/控制器專用標準產品(ASSP)也涌現出來,能夠高效地驅動這些電機。這些器件為設計人員提供了更加靈活的方案,開創了創新功能的空間,并發現了許多新的應用。

  1. 雙極步進電機驅動及控制器

  高效驅動機電致動器中的雙極步進電機的驅動及控制器。這款產品嵌入了專用有限狀態機及針對先進前照燈系統(AFS)系統要求定制的本地互連網絡(LIN)指令集。該器件集成了非傳感控制檢測功能,能提高可靠性,減少元件數量和板上空間,降低產品成本。AMIS-30623專為遠程及多軸定位應用而設計,非傳感控制檢測功能的設計者能輕易完成精確的定位校準及半封閉式的循環操作。

  AMIS-30623的LIN接口使其適用于需要連接遠程LIN主機的機械電子解決方案。這款產品的目標應用包括前照燈級測量、自動HVAC設計、監控攝像頭控制、專業照明設備及工業機器人等。AMIS-30623的工作溫度均為-40℃至125℃,可傳輸高達800 mA的可編程電流。芯片上的定位控制器可依監控類型、定位范圍和參數的不同而修改配置。這款產品還具備電流保持特性。

該拓撲結構支持極緊湊的攝像機設計,有助于降低成本及提供精確的工作。

  該系列器件的主要優點是,所有針對應用的運動控制功能都可以在廠內進行預編程,明顯減少了工程師的編碼工作。如果選擇器件的閃存版本,還可以在開發應用及之后測試和調試軟件時進行再編程。這將顯著加快設計更新的速度。

  2. 步進電機的精確動態控制

  隨著步進電機出現在越來越多的應用場合,設計人員也在繼續追求高精度的定位。此外,其高能效、高性能及逐漸縮小的尺寸等特性,也使其對紡織機、機器人、計算機數控銑雕機等設備的吸引力與日俱增。安森美半導體的AMIS-305xx系列就是用于需要精確動態控制步進電機系統的ASSP,它能夠以SPI接口提供可變電機電流控制,進而實現精確的動態控制。

  AMIS-305xx系列集成了轉換器,將連續步長轉換為所需的線圈電流(可通過查找表或其他方式)。該系列還集成了采用H橋配置的驅動器晶體管、反激二極管、經PWM的片上穩流,以及多種保護電路。

  該系列IC包含兩個內置H橋,能夠以Z高達1600mA的電流驅動雙相步進電機。速度和負載角輸出使主微控制器能夠檢測阻轉轉子和運行結束狀況,而無需額外的開關、霍爾(Hall)傳感器或光學編碼器。除了停轉檢測,這些功能還允許設計人員為微控制器編程,以計算轉子位置,并按要求動態調節電流或速度,以防止失步。它還完美實現了微步進,能夠消除終點停止的噪聲和震動,并在無需添加元件的情況下提升運動控制的精確度和可靠性。

  在構建加工、汽車、安全和建筑自動化應用時,工程師不必再擔心運動算法中的動力學設計,因為這些均已嵌入在ASSP中。他們只需設計電機的總體運動,而相關IC可以實現無傳感器失速檢測等先進特性,從而更進一步簡化設計人員的工作,加快產品上市時間。此外,這些新的微型步進電機驅動器還可使設計人員用Z少的元件和Z低的材料成本快速而簡便地完成動態運動應用。

  3. 其他電機驅動控制解決方案

  驅動器也常用于驅動HVAC電子控制單元中的氣瓣。這個系列半橋驅動器提供了高性價比的方案,可以用串聯或并聯方式驅動多個有刷直流電機,同時也完全滿足了壽命周期內可靠性、診斷、電池供電瞬態等方面的Z新汽車標準。

  總結

  高效節能是一個總的趨勢,電機驅動器也正趨于成為大批量通用產品,而降低每個電機驅動器的成本及減小方案尺寸則是主要的動力。市場將會在高效的控制方式和成本之間獲得一個動態平衡。

  根據戰略重點和對系統需求的理解,尤其是客戶的需求,采用定制方法為客戶提供從ASSP到客戶專用集成電路(ASIC)的不同方案。這些解決方案將幫助中國市場上的消費電子、工業控制和汽車電子領域的電機應用設計人員獲得更高的效率、更長的壽命、更佳的故障控制,使電機逐步實現了小型化、高效率、低噪聲和更高的可靠性。


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