你的位置:首頁(yè) > 電源管理 > 正文

有什么辦法保持有刷電機(jī)的簡(jiǎn)單性?--半導(dǎo)體技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2016-10-19 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】通過(guò)引入無(wú)刷電機(jī)智能電機(jī)控制方案,半導(dǎo)體行業(yè)正提供越來(lái)越多的產(chǎn)品,消除這些障礙。因此,無(wú)刷電機(jī),像LED燈,可能隨著21世紀(jì)引進(jìn)新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境的挑戰(zhàn)而越來(lái)越普遍。也許很快,有刷電機(jī)就像白熾燈一樣成為歷史。

想不到,有刷電機(jī)和白熾燈有許多共同點(diǎn):都于19世紀(jì)發(fā)明和優(yōu)化,其易用性使它們?cè)?0世紀(jì)我們的日常生活中隨處可見(jiàn),它們同樣都受到21世紀(jì)重視能效的法規(guī)的影響?,F(xiàn)時(shí)白熾燈已大部分消失了,但更高能效的無(wú)刷電機(jī)仍只是緩慢的替代有刷電機(jī)。這一部分是因?yàn)槌杀镜脑颍惨驗(yàn)閷?shí)施無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)時(shí)仍有顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體技術(shù)促使便宜但能效低的白熾燈消失,同樣也可能使有刷電機(jī)走向同樣的結(jié)局。

電機(jī)到處都是,但不像燈泡,它們不是那么明顯。當(dāng)有無(wú)生命的物理在移動(dòng)時(shí),很可能是由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)我們家里的冰箱、洗碗機(jī)和洗衣機(jī)。它們開門、運(yùn)行手扶電梯、垂直電梯和火車送我們?nèi)スぷ鳌T谖覀児ぷ鲿r(shí)它們煮咖啡、冷卻電腦和運(yùn)行空調(diào)。在現(xiàn)代汽車中,采用20至50個(gè)電機(jī)為調(diào)節(jié)車鏡、前大燈和座椅、燃油泵、水泵和擋風(fēng)玻璃液、以及輔助制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等多種不同的功能提供動(dòng)力。將來(lái),電機(jī)甚至?xí)?fù)責(zé)讓汽車自己移動(dòng)。

在過(guò)去一個(gè)世紀(jì),這些應(yīng)用選擇的電機(jī)大多是有刷電機(jī),因?yàn)樗浅R子谑褂?。像燈泡,只要通電就工?– 反向電壓通過(guò)終端,電機(jī)將反轉(zhuǎn)方向。改變電壓,速度就變化。這簡(jiǎn)單性可能因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)的機(jī)械式開關(guān)(換向器)使它旋轉(zhuǎn)。換向器由旋轉(zhuǎn)銅滑環(huán)和滑動(dòng)接頭(稱為電刷)組成,旋轉(zhuǎn)銅滑環(huán)連接到旋轉(zhuǎn)電機(jī)線圈,滑動(dòng)接頭令電流從固定電機(jī)外殼流向滑環(huán)。當(dāng)電機(jī)線圈組件旋轉(zhuǎn),線圈端子滑過(guò)電刷,指示電流流過(guò)線圈,以這樣一種方式保持旋轉(zhuǎn)。
有刷電機(jī)原理圖
圖1:有刷電機(jī)原理圖

雖然換向器使有刷電機(jī)易于使用,但它也是問(wèn)題的主要來(lái)源。換向器易受機(jī)械磨損,限制了電機(jī)的使用壽命。電刷磨損產(chǎn)生灰塵,降低電機(jī)性能。此外,當(dāng)電機(jī)電流沿滑環(huán)在線圈間流動(dòng),產(chǎn)生電弧。這樣的刷電弧產(chǎn)生臭氧,及造成噪聲和電子輻射,可能干擾電氣設(shè)備如電話、無(wú)線電和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。在有灰塵或可燃環(huán)境中,刷弧可能非常危險(xiǎn),因?yàn)樗梢l(fā)火災(zāi)甚至引起爆炸。換向器采用機(jī)械式電刷,也限制了電機(jī)高達(dá)70%的電能效;而無(wú)刷電機(jī)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%的能效(如Nicola Tesla早在19世紀(jì)末顯示)。如果無(wú)刷電機(jī)比有刷電機(jī)更高能效、更可靠和更環(huán)保,為什么當(dāng)今有刷電機(jī)仍然如此普遍?

就像白熾燈和LED燈,以一些更復(fù)雜和昂貴的東西取代一些便宜和簡(jiǎn)單的東西,通常需要最初來(lái)自政府的強(qiáng)大壓力,直到大規(guī)模生產(chǎn)把價(jià)格降下來(lái)。國(guó)際能效標(biāo)準(zhǔn)(如北美的能源之星和歐盟的生態(tài)設(shè)計(jì))強(qiáng)制企業(yè)去遵守。此外,消費(fèi)者越來(lái)越關(guān)注環(huán)境和節(jié)能,現(xiàn)在更愿意在節(jié)能產(chǎn)品花錢,或者是出于良心的原因,又或者是為減少電費(fèi)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(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開來(lái)的一種途徑。同樣,在汽車領(lǐng)域,汽車制造商已被要求通過(guò)不斷收緊的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)提升燃油經(jīng)濟(jì)性。這可以許多創(chuàng)造性的方式實(shí)現(xiàn),但一個(gè)可持續(xù)的方法是驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)上連接到發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)的系統(tǒng)。后者可更好地針對(duì)手頭任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化,只在必要時(shí)運(yùn)行。一個(gè)很好的例子是動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),它必須在停車時(shí)以空轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)提供最大的轉(zhuǎn)向支持。當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍連接到發(fā)動(dòng)機(jī),它耗費(fèi)大量的動(dòng)力在總線,這時(shí)轉(zhuǎn)向最小,因此,汽車中的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為第一個(gè)使用無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用。隨著法規(guī)的日益嚴(yán)苛,無(wú)刷電機(jī)正被設(shè)計(jì)到液壓泵中提供制動(dòng)支持、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇、燃油泵、油/水泵等等。

雖然以無(wú)刷電機(jī)取代傳統(tǒng)的有刷電機(jī)是提高能效和可靠性,同時(shí)消除噪聲和污染的快速路經(jīng),但無(wú)刷電機(jī)的實(shí)施對(duì)工程師是一重大挑戰(zhàn)。以前必須由換向器機(jī)械式完成的工作現(xiàn)在使用三相逆變器電氣化完成。逆變器需要一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)器,它通常由一個(gè)微控制器實(shí)施復(fù)雜的電機(jī)控制算法來(lái)控制。因此,開發(fā)這些應(yīng)用的工程師不僅需要?jiǎng)偃斡布O(shè)計(jì)及微控制器編程,還需要深入了解電機(jī)物理學(xué)來(lái)設(shè)計(jì)最大的能效到系統(tǒng)中。有刷電機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員通常沒(méi)有這些技能,所以他們不愿意使用無(wú)刷電機(jī)。

這些工程師需要的是現(xiàn)成的方案,不需要深入設(shè)計(jì)和編程專知就能讓無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行。目的是使無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用開發(fā)就像有刷電機(jī)開發(fā)一樣簡(jiǎn)單,以至應(yīng)用工程師可專注于他們的專長(zhǎng)到應(yīng)用上,而不是如何使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。類似于LED燈取代白熾燈,半導(dǎo)體行業(yè)可支持轉(zhuǎn)向使用無(wú)刷電機(jī)部署,通過(guò)為客戶解決電機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。有利的是,有一些公司正開始應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

有個(gè)例子是安森美半導(dǎo)體,已用其用于立體聲設(shè)備、磁盤驅(qū)動(dòng)和冷卻風(fēng)扇的“易于使用”的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器經(jīng)驗(yàn),集中在工業(yè)和汽車用無(wú)刷電機(jī)的開發(fā)。特別地,公司推出高度集成的LV8907電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC,使無(wú)刷電機(jī)像有刷電機(jī)一樣易于使用,無(wú)需任何軟件開發(fā)。LV8907可用于12 V工業(yè)和消費(fèi)電子應(yīng)用,而且兼容汽車要求,只需6個(gè)功率開關(guān)和幾個(gè)分立電阻和電容。該IC負(fù)責(zé)啟動(dòng),無(wú)需傳感器換向和運(yùn)行無(wú)刷電機(jī)所需的各種安全特性。在電機(jī)和應(yīng)用相關(guān)參數(shù)通過(guò)SPI接口上傳后,控制電機(jī)速度所必需的是一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)-就像有刷電機(jī)應(yīng)用一樣。所有相關(guān)參數(shù)可存儲(chǔ)在該器件的嵌入式非易失性(OTP)存儲(chǔ)器中,并將在應(yīng)用的生命周期內(nèi)保持固定。

雖然可使用一個(gè)開關(guān)用于固定速度模式,但LV8907的內(nèi)置P-I速度控制回路結(jié)合PWM輸入,支持在不同電源電壓和負(fù)載條件下電機(jī)速度的精確調(diào)控。得益于該器件集成的保護(hù)功能,可保護(hù)應(yīng)用免受過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)溫及其它故障條件的損害。在堵轉(zhuǎn)的情況下,LV8907將停止驅(qū)動(dòng)電機(jī),并在設(shè)置間隔后再重啟。

總之,從有刷向無(wú)刷電機(jī)的過(guò)渡已在進(jìn)行,出于能效的原因,和日益嚴(yán)格的政府法規(guī)正加速這開發(fā)。然而,由于這過(guò)渡涉及顯著的技術(shù)挑戰(zhàn),他們?nèi)源嬖谡系K來(lái)增加無(wú)刷電機(jī)應(yīng)用的范圍。通過(guò)引入無(wú)刷電機(jī)智能電機(jī)控制方案,半導(dǎo)體行業(yè)正提供越來(lái)越多的產(chǎn)品,消除這些障礙。因此,無(wú)刷電機(jī),像LED燈,可能隨著21世紀(jì)引進(jìn)新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境的挑戰(zhàn)而越來(lái)越普遍。也許很快,有刷電機(jī)就像白熾燈一樣成為歷史。
要采購(gòu)線圈么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉