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控制技術/MCU  

業界需要更完備的整合式無刷馬達控制電路方案

上網時間: 2006年10月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電刷  換向器  Brush  Commutator  霍爾感測器 

相較於擁有百年歷史的有刷馬達而言,無刷馬達更乾淨、精巧和輕量,並正穩步快速地向前發展。因此,對於它們的穩步成長與逐漸普及,而僅以‘是時候了’來描述其發展動能顯然過於保守。

就在兩年前,無刷馬達遠比有刷馬達更為昂貴。但因受惠於設計與材料技術的進步,其價格急劇降低。如今,這兩種馬達技術之間的成本差異只有10%。而最顯著的轉變則是設計人員開始密切結合工業應用進行工作。傳統上,這被認為屬於硬核式有刷馬達的應用領域,因為‘乾淨’的工作環境並不是最重要的。然而,現在由於成本門檻的降低,使得無刷馬達不斷獲得新的應用。

有刷馬達和無刷馬達之間最顯著的區別即在於是否配置有常見的電刷-換向器(Brush-Commutator)。過去一個世紀以來,有刷直流馬達的換向一直是透過石墨電刷與碰觸安裝在轉輪上的環形換向器來實現的。

而無刷馬達則透過霍爾感測器(Hall sensor)把轉輪位置傳回控制電路,使其能夠獲知馬達相位換向(順序) 的準確時間。大多數無刷馬達製造商所生產的馬達都具有三個霍爾效應定位感測器。由於無刷馬達沒有電刷,故也沒有相關介面,因此更為乾淨,聲學噪音更小,實際上也無需維護,且壽命更長。

那麼,還有什麼是有待更進一步的呢?儘管產業對於無刷馬達優點的體認日益加深,但迄今工作仍只限於開發上述無刷馬達霍爾感測器的控制電子元件。

目前對馬達驅動箱和馬達驅動卡開發的需求十分急迫,它們能為設計人員提供微控制器、可程式能力和驅動器,並把所有這些功能都整合在一個單一組件內。無論是在數位或是類比模式下,基本上這種整合方式均可完成各種馬達應用所必須的換向。如果缺乏這種整合,無刷馬達便無法發揮什麼作用。

在選擇最佳驅動器時,脈寬調變(PWM)晶片正逐漸成為一種受到產業認可的首選技術。選用策略主要在於何者的效率最佳。線性電路的缺點在中階應用上開始被突顯出來,此時輸出電平約為50%左右。在這種輸出電平下,傳輸元件的阻抗等於負載阻抗,這意味著放大器所產生的熱量等於供給負載的功率。簡言之,當以中等功率等級驅動電阻式負載時,線性控制電路便會出現50%的最低效率。

現在讓我們來思考一個PWM解決方案。在PWM控制系統中,類比輸入電平被轉換為可變佔空比開關驅動訊號。從一個電氣狀態切換到另一個狀態的過程,也就是OFF和ON之間的變換,便被稱為‘調變’(modulation),這也是這項技術被稱為‘脈寬調變’(PWM)的原因。佔空比一剛開始時為零,即一直處於OFF狀態,但隨著馬達開始旋轉,佔空比通常也隨之增加,直至馬達達到應用所需的速度和/或轉矩為止。同樣的,問題是還有什麼是有待更進一步的呢?

具備控制無刷馬達所必須的特定功能微控制器,以及為馬達提供動力並構成微控制器與無刷馬達之間介面的PWM IC驅動器已開始問世。但為了向設計人員提供他們眼下迫切需要的整合式無刷控制電路功能,該領域仍存在許多工作有待完成。

作者:David Cox

工程副總裁

Apex Microtechnology公司





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