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友尚集團力推多品牌( Fairchild / Magnachip / Samsung / ST / TI & TE) 馬達控制方案

 2013-06-05

 

在現今的生活中,許許多多的工具與民生電器都會運用到馬達 . 馬達用途眾多,大至重型工業,小至小型玩具都有其蹤跡。在不同的環境下都會選擇不同類型的馬達,

 

常見的民生用品例如電風扇 , 電動玩具車、電動機車 , 洗衣機 , 電動刮鬍刀 ,吹風機…等等 ,也是由馬達的運作而產生動作的結果.

 

在此 , 友尚集團 匯集旗下所代理的品牌, (Fairchild / Magnachip / Samsung / ST / TI & TE ), 針對不同的應用領域提供不同的參考方案 .

 

 

 

 

 

(一) Fairchild高效無刷直流電機控制設計方案

 

【方案介紹】


電機控制應用設計人員目前正在從傳統的通用或交流電機設計轉換到更為成熟的無刷直流(BLDC)電機或永磁同步電機(PMSM)設計。 然而,如果設計人員不能有效獲得高級、複雜的電機控制演算法,不管選擇哪一種方法都具有挑戰性。 這可能會導致巨大的研發資源支出及更長的設計時間。

 

為幫助設計人員應對這些成本和軟體負擔,飛兆半導體公司開發了 FCM8531 類比及數位集成式電機控制器。 FCM8531 是一款定制的可配置解決方案,配有幫助電機控制設計人員縮短上市時間且最小化軟體設計工作的用戶指南、參考設計和評測板。

 

 

【方案特色】

 

單晶片設計中的並行處理器

FCM8531是一款三相混合 BLDC/PMSM 控制器,具有兩個並行處理器 - 一個先進的電機控制器(AMC)和一個嵌入式微控制器(MCU)。該產品針對複雜的電機控制應用,提供了一個完整的單晶片解決方案。 這兩個核心處理器獨立工作,但通過有助於避免系統掛機並增強硬體保護的內部通信介面協作進行資料交換。FCM8531通過其集成式硬體控制器和 MCU 介面管理功能最大限度地減少軟體負擔,並實現了更高效且快速的負載回應電機系統。

 

 

實現簡化功能的定制設計

AMC 能夠適用各種電機設計,使用可配置和存儲的飛兆半導體庫執行功能強大的演算法,如正弦波控制、磁場定向控制(FOC)及直接正交(DQ)控制},以提供高性能電機控制功能。 與 AMC 配對使用的 MCU 介面使用戶能輕易改變寄存器的值,滿足不同電機操作流程及特點的要求。 該器件非常適合於解決無速度感測器風扇應用中的啟動抖動,以及各種風扇和泵應用中的噪音和低效率問題。FCM8531具有多種硬體保護功能,如過壓保護和過流保護。其設計考慮及提供對所有故障模式的快速回應,同時嵌入式 MCU 可輕易地實現額外功能。

 

 

易於使用的開發工具

飛兆半導體的電機控制開發系統(MCDS)由一個集成開發環境(IDE)和一個允許工程師配置 AMC 並為 MCU 開發代碼的 MCDS 編程工具組成。 該系統與處理核心一起提供一個集成式軟體工程平臺,有利於快速開發電機控制程式。 MCDS-IDE 易於使用並完善了設計目標時間表。當與 MCDS 編程工具套件一起使用時,可快速完成代碼編程,從而可即時調整電機運行信號。

 

 

 

 

【系統方塊圖】

 

FCM8531集成了先進馬達控制器(AMC)和一個51相容的MCU,其中AMC為一個基於硬體的馬達控制器加一個可配置為數種專用馬達控制演算法的可配置處理內核組成,用於實現馬達控制,而MCU部分實現流程控制和通信介面的功能,向AMC提供馬達控制指令,執行馬達控制動作,並且管理外部通信介面。

 

該架構的優勢在於:最少的軟體工作,由於飛兆在AMC的軟體庫中配置和存儲了大量軟體庫,AMC可執行FOC和DQ控制等演算法,MCU僅需簡單的系統控制軟體編程;可靠性高,AMC和MCU獨立工作,避免系統中斷;性能穩健,AMC內置硬體即時保護功能,可即時檢測PWM信號,並可在微秒內關斷PWM信號防止系統損壞; AMC 能夠適用各種電機設計,使用可配置和存儲的飛兆半導體庫執行功能強大的演算法,如正弦波控制、磁場定向控制(FOC)及直接正交(DQ)控制},以提供高性能電機控制功能。與 AMC 配對使用的 MCU 介面使用戶能輕易改變寄存器的值,滿足不同電機操作流程及特點的要求。

 

 

 

 

 

【規格說明】

飛兆半導體還為電機控制開發配備了易於使用的開發工具——電機控制開發系統(MCDS),由一個集成開發環境(IDE)和一個允許工程師配置 AMC 並為 MCU 開發代碼的 MCDS 編程工具組成。 該系統與處理核心一起提供一個集成式軟體工程平臺,有利於快速開發電機控制程式。 MCDS-IDE 易於使用並完善了設計目標時間表。當與 MCDS 編程工具套件一起使用時,可快速完成代碼編程,從而可即時調整電機運行信號。

 

 

 

飛兆為可配置的AMC部分提供了針對不同應用而設計的軟體庫,供用戶輕鬆實現產品設計,目前可提供的軟體庫包括速度積分、滑動模式和霍爾介面,可覆蓋80%的市場應用,所以FCM8531除了可以應用於家用電器中的小電機控制也可以用於大電流的工業電機控制之中。

 

Related Solutions Links

http://www.fairchildsemi.com.cn/applications/motor-control/solutions/bldc-pmsm-controller/

 

 

 

 

 

 

(二) Magnachip 推出Power Module 應用於馬達控制 

 

【產品介

 

IGBT Module


1.600V/50~300A and 1200V/50~300A products.

2.先進SPT+ IGBT製程工藝,流暢的開關特性和低損耗.

 

 

 

 

【產品特色】


1.New concept spring-type具有連接Gate and Emitter高靜電防護功能.

2.大封裝大電流IGBT產品.

3.多種尺寸封裝選擇..  

4.低雜散電感.

 

 

 

【規格說明】

Application:

1.不斷電系統

2 電焊機

3.馬達變頻器

4.電動車馬達控制器

5.工業超聲波加熱器

 

 

 

 

 

 

【產品參考文件】

 

Related Solutions Links  www.magnachip.com

 

 

 

 

 

 

 

(三) Samsung N429 MCU (Cortex M0) for General Motor Control

 

 

【產品介
 

S3FN429是三星電機控制微控制器的新成員,利用一個小引腳數封裝中達到高性能和成本效益。該設備控制,可用於如電動自行車應用 , 提供優化的功能。

 

 

應用範圍

Applications:

- Motor Control for PMSM & BLDC

- Industrial Applications

- Home Appliance Applications

- E-bike, Fans, Blowers and Pumps

 

 


【產品特色】

Cortex-M0 CPU @40MHz (36 DMIPS)

32/16 KB Flash and 2KB SRAM

Internal RC-0SC 40MHz (+/- 1.5%)

Wide operating voltage 2.5-5.5V

3 x 16-bit TC, 4 x 16-bit PWM

IMC for motor control

PPD for position & speed measurement

10ch 12Bit ADC

1 x OP-AMP, 4 x Comparator

Temperature range from -40 ~ 105℃

 

 


【產品方塊圖】

 

 

 


【 產品照片】

 

 

 

 

【產品參考文件】

 

Related Solutions Links www.samsungsemi.com

 

 

 

 

 

 

 

(四) ST 推出80W直流無刷電機控制板

 

【方案介紹】

主要針對80W及以下電機控制開發出來的具有高性價比及小空間的方案,在硬體方面採用ST的Viper16及STGIPN3H60,MCU採用高性能STM32F100C6T6B.優化的PCB layout及電路的設計,是方案具有高可靠性及生產的可執行性。

 

 

 

【方案特色】

1,高可靠度:整個方案採用高性能MCU+高可靠性IPM,使得方案的可靠度高。

2, PM的高集成度,使得客戶在設計時能做到小尺寸,同時Layout也更為順暢。

 

 

 

【系統方塊圖】

 

 

 

 

【規格說明】

Demo如下

 

 

         

主要器件

1,MCU:STM32F100C6T6B   電機控制主控MCU 

2,IPM :STGIPN3H60        6*IGBT+6*驅動電路+3*自舉二極體+一些阻容

3,Viper:Viper16L            開關電源集成晶片=驅動+MOSFET

 

 

【方案參考檔】

  

Related Solutions Links

http://www.st.com/web/en/catalog/tools/FM116/SC1077/PF252858?s_searchtype=keyword

 

參考文獻請參見www.st.com,在Keyword中輸入編號STEVAL-IHM036V1,即可見詳細的參考文檔。

 

 

 

 

 

 

 

 

(五) ST 提供三相高壓變頻器電路電源板運用

 

 

【方案介紹】

三相高壓逆變器電源板具有STM STGIPN3H60的永磁同步電機兩種磁場定向控制(FOC)

(PMSM)和梯形標量控制的無刷直流(BLDC)電機。

 



【方案特色】


1,高可靠度:整個方案可以搭配MCU控制 ​​。

2,使得客戶在設計時能做到小尺寸,同時佈局也更為順暢。

 

 

【系統方塊圖】

 

 

 

 

【方案照片】

 

 

 

 

【方案參考檔】

http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/user_manual/DM00047991.pdf

 

 

 

 

 

 

 

(六) TI 推出 InstaSpin系列馬達控制方案 

 

【方案介紹】 


TI InstaSpin BLDC : 馬達只需數秒鐘即可開始運轉

TI InstaSpin FOC: 馬達 ID 與自動調校解決方案,可針對所有變速、變負載馬達的應用

TI InstaSpin Motion: 用最小的力度實現最大的控制

 

 

 

【方案特色】


InstaSPIN-BLDC 專門針對低成本 BLDC 應用而推出,是一款可在數秒內啟動馬達並使之運轉的無感測器控制技術,無需任何與馬達參數及相關的知識即能夠工作,而且用戶僅需調節單個微調值即可。 與其他基於反電動勢過零檢測時序的無感測器 BLDC 控制技術不同,InstaSPIN-BLDC 可通過監測馬達的磁通量來判定為馬達換向的時間。使用磁通量進行換向與使用反電動勢過零檢測時序進行換向相比,還能讓馬達在較低速度下更加穩定地運轉。 與磁通量信號不同的是,反電動勢信號的幅度會在較低速度下減弱,從而導致惡劣的信噪比性能。 InstaSPIN-BLDC 不僅可以低速實現順暢運轉,而且即便是在重負載下也能提供前所未有的可靠馬達啟動。

 

InstaSPIN™-FOC(磁場導向控制法)技術使設計人員(甚至那些在馬達控制方面沒有什麼經驗的人員)用數分鐘的時間即可識別、調校並完全控制任何類型的三相、變速、同步或非同步無感測器馬達控制系統。

 

這項新技術借助 TI 嵌入在 Piccolo 器件唯讀記憶體 (ROM) 中的全新軟體編碼器(無感測器觀測器)軟體演算法 FAST™(通量、角度、速度和扭矩),讓系統不再需要機械馬達轉子感測器,從而降低了系統成本並提高了操作性。 這提供了在所有變速和負載馬達應用中提高馬達的效率、性能及可靠性的高品質解決方案。

 

InstaSPIN-MOTION 由 LineStream Technologies 的 SpinTAC™ 提供支援。 SpinTAC™ 提供對系統不同的動態速度和負載範圍均提供可靠的控制。 SpinTAC™ 通過用簡單的單一參數調校取代調校困難的 PID 控制器,顯著減少了設置時間。 InstaSPIN-MOTION 十分適合於需要精確的速度控制和最小幹擾的應用,以及要進行多狀態變換或動態變化的應用。

 

 

 

 

【系統方塊圖】

 

                       

 

  

 

【規格說明】

Key Components:

MCU : TMS320F2806XF/M ,  TMS320F2805XF/M, TMS320F2802XF

Motor Driver : DRV8301/8302 , IGBT , IPM

MOS-Fet

 

 

 

 

 

 

 

應用範圍

 

 

 

 

【方案參考檔】

 

【Related Solutions Links】 http://www.ti.com/ww/instaspin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(七) TE 小家電馬達堵轉保護方案探討 

 

【方案介

 

PPTC可以用在小家電的馬達堵轉保護中,對於多功能豆漿機等較為複雜的馬達堵轉保護,TE電路保護也針對此類問題,研發出LVR PPTC和功率電阻利用熱耦合集成在一起的元件,解決了原來PPTC在豆漿機等家用電器中直流馬達堵轉保護時間慢的問題,為客戶解決此類問題提供了一種全新的方案。

 

 

【方案特色】

 

小家電中會使用到馬達的有豆漿機、食物料理機、榨汁機、攪拌機、絞肉機,打漿機,咖啡機等,馬達在這些小家電中是非常關鍵的設備,如何設計一個高可靠性的馬達系統是判斷這些小家電品質的一個很重要的指標,本文正是討論小家電中會經常碰到的馬達堵轉的保護問題。

 

 

 

【產品方塊圖】

 

 

 

 

 

 

 

【規格說明】 

  • 符合RoHS規範
  • 產品種類齊全能廣泛應用於工業
  • 額定電流從50mA到2A
  • 市電電壓達到120VAC和240VAC
  • 安規認證:UL,CSA,TÜV
  • 快速動作時間
  • 低阻抗

 

 

 

【產品參考文件】

 

Linkswww.circuitprotection.com.cn

 

Related Solutions Links

http://www.te.com.cn/zh/products/circuit-protection/solutions/industrial.html

 

 

 

 

 

 

 

 

(八) TE LVR系列PPTC產品介紹

 

TE connectivity是全球無源器件專業提供商,同時也是全球電路保護器件專業供應商,它是PPTC高分子材料正溫度係數電阻的發明者,其過流過壓保護器件廣泛應用於消費電子、IT、通信、工業、汽車等多個領域。在過流保護方面,泰科電子提供PolySwith自複式元件,在過壓保護方面,泰科電子提供GDT氣體放電管和PESD/SESD靜電保護元件,此外,泰科電子還提供綜合保護元件2Pro和Polyzen,MHP,RTP等眾多產品。

 

TE connectivity有眾多的PPTC型號可供用戶選擇,LVR系列可復位電路保護器件,是專門用於防止商用和家用電器中使用的馬達和變壓器因超載、過熱、堵轉、零線故障和其他潛在因素導致的損壞的器件,PPTC的初始小電阻值在馬達正常工作時不影響馬達的工作,當PPTC在馬達超載或者堵轉的時候電阻迅速增加,以降低超載電流保護馬達,當故障消除以後PPTC又可以恢復正常電阻讓馬達正常工作。TE connectivity LVR系列產品包括了多種額定值為120 VAC和240 VAC線電壓等級產品,這些產品阻抗低、動作時間快、體積小並具備可重定功能,有助於電路設計者推出安全和可靠性良好的產品,並且減少了保修期內的修理費用。

 

與一次性使用的保險絲不同,PPTC器件無需在發生故障後進行更換。在過電流狀況排除以及供電斷開後,電路將恢復至正常的運行條件。與雙金屬型斷路器產品相比,這種產品具有更高的靈活性、更長的使用期限以及更低的電磁干擾(EMI)。 

 

 

 

小家電馬達堵轉保護的一般設計流程

 

下面先介紹一下在小家電馬達堵轉保護設計中PPTC選型的一般程式。 

首先要確認PPTC的阻值上限R1max。下圖1為PPTC阻值上限R1max的設計流程。

 

                                 圖1  PPTC阻值上限R1max的計算流程

 

 

 

總之選擇PPTC 的R1max就是要保證PPTC在馬達工作在最高溫度以及最大運行電流等最惡劣情況下不會誤動作,那麼在其他工作情況下PPTC肯定也不會誤動作。

 

其次確認PPTC的阻值下限Rmin。下圖2為PPTC阻值下限Rmin的設計流程。

 

                                   圖2  PPTC阻值下限Rmin的計算流程

 

 

 

總之選擇PPTC 的Rmin就是要保證PPTC在馬達工作在最低溫度以

及最小故障電流等最惡劣情況下的保護時間能滿足要求,那麼在其他故障情況下PPTC肯定也會及時的保護。

 

最後確認PPTC的物理參數,比如PPTC的封裝尺寸,PPTC是安裝在控制板上還是安裝在馬達內等。

 

一般在小家電馬達保護中使用以上的設計流程就可以設計出PPTC的型號,當然也有例外,多功能豆漿機的馬達保護既有一般小家電馬達堵轉保護的共性問題,也有它的特性,下面就用多功能豆漿機的馬達保護來闡述一下它的特殊解決方案。

 

 

 

 

多功能豆漿機馬達堵轉保護實例介紹

 

多功能豆漿機功能強大,不但可以磨制豆漿,還可以製作果汁、果蔬濃湯、營養米糊、五穀雜糧、玉米汁、綠豆汁等幾十個品種,既可製作熱飲同時又可製作冷飲。

 

一般多功能豆漿機是由電動和電熱系統集成在一起的產品,整機程式由微電腦系統自動控制,形成一個相對複雜的系統。多功能豆漿機從結構上分析,主要有機頭,機身,馬達,聯軸器,杯蓋,杯體,刀軸,控制電路板,液晶顯示幕等組成。豆漿機裏有溫度感測器,用於檢測加熱器加熱時杯體內的水溫,當水溫達到MCU設定溫度(假設80 ℃左右)時,MCU啟動馬達開始磨制豆漿。一般多功能豆漿機的預熱、打漿、榨果汁等全自動化過程,都是通過MCU控制,相應的驅動三極管,再由多個繼電器組成的繼電器組電路轉換來完成。其中馬達在多功能豆漿機中是一個非常重要的部件,它的使用安全問題直接影響到豆漿機的可靠性。

 

下圖3為多功能豆漿機馬達和加熱器的簡單電路示意圖。豆漿機所用馬達為220V直流馬達,繼電器的工作電壓為12V,豆漿機利用繼電器把MCU發出的低壓控制信號I/O來控制交流高壓信號的通斷,R3為PPTC可恢復電阻,T1和T2為繼電器。

 

 

                     圖3  豆漿機馬達和加熱器的電路示意圖

 

 

 

由於在使用多功能豆漿機時,豆漿機往往在製作果汁的時候會發生堵轉,馬達的堵轉指的是杯體中的物品將馬達軸承固定不使其轉動,這時電壓還加在馬達的兩端,這時候的電流就是堵轉電流,一般的馬達都是不允許發生堵轉的,因為馬達發生堵轉之後馬達線圈的溫度會急劇上升,溫度超過線圈的最高溫度之後,時間稍長就會燒壞馬達,這即增加了消費者的不便,也增加了生產者的維修成本。所以在豆漿機中增加馬達保護裝置是必不可少的,而且是在堵轉消除後能自動恢復的保護,因此選擇TE connectivity公司的可恢復PPTC是一個不錯的解決方案。

 

用上文所述的PPTC設計流程可以用在多功能豆漿機馬達防堵保護設計中,但這是往往會碰到選擇PPTC型號困難的問題,也就是說多功能豆漿機的馬達保護設計會較普通的小家電馬達保護複雜的多,圖4為磨制豆漿時PCB板周圍環境溫度和馬達外殼溫度的實測圖,可見控制電路PCB板PPTC周圍的環境溫度最高可以到達85C。由於豆漿機的PPTC最高環境溫度85度會比普通的小家電最高環境溫度要求高,這樣既要在85度的最大工作電流下能正常工作,還要保證在最低溫度0度的堵轉電流情況下能及時的保護,相應的就增大了設計難度。下面就具體的闡述此類多功能豆漿機馬達堵轉的保護設計方案。

 

 

               圖4  磨制豆漿時PCB板子和馬達外殼的溫度

 

 

 

以磨制豆漿時的電流確定最大工作電流,根據該最大工作電流和最大環境溫度初步確定TE connectivity LVR系列PPTC的相關型號。圖5為多功能豆漿機磨制豆漿時的工作電流,測得多功能豆漿機的直流馬達的最大電流為800mA,由於磨制豆漿時馬達是間隔一定時間工作的,並不是一直連續工作的,間隔時間由豆漿機MCU計時電路控制,所以計算PPTC要能維持的最大工作電流指的是馬達工作整個週期的平均電流,圖中所示的800mA的最大電流換算成在一個完整工作週期內為450mA。查閱LVR100在85度下的hold電流大約是550mA,所以首先選取LVR100。

 

                     圖5  多功能豆漿機磨制豆漿時的工作電流

 

 

 

 

圖6為多功能豆漿機的堵轉電流。在榨水果的堵轉情況下,實測馬達的堵轉最大電流為2A,由於榨果汁時馬達也不是一直連續工作的,也是間隔一定時間工作,間隔時間是馬達工作6S,停3S,這樣換算成在一個榨水果完整工作週期內平均電流是1.6~1.7A。在1.6~1.7A堵轉電流下,馬達堵轉需要保護的時間要求在150S內。

 

                                        圖6  多功能豆漿機的堵轉電流

 

 

 

 

從上述資料看到豆漿機的堵轉電流僅僅只是正常工作時電流的3倍,還要考慮85度的最高溫度和0度的最低溫度的情況,磨制豆漿的時間較長,要在比如半小時之內能維持馬達的正常工作,這樣造成馬達保護的設計很複雜,因為很難滿足PPTC動作時間快的要求,因為當堵轉電流和正常工作時電流的比值越大, PPTC保護的時間越快,PPTC的選型也越容易。現在在0C溫度下1.6~1.7A的堵轉電流下,LVR100的保護時間會非常長,遠遠不能滿足在0C溫度下150S保護時間的要求。

 

那如何實現上述多功能豆漿機馬達保護的問題呢?TE connectivity公司研發出一種用LVR PPTC和功率電阻利用熱耦合的方式連接在一起的元件來實現多功能豆漿機馬達的快速堵轉保護。本實例中採用LVR100和1ohm/3W的功率電阻熱耦合的元件,讓功率電阻和LVR100能很好的熱接觸,目的就是為了使功率電阻能在堵轉的時候加熱LVR100使其更快的保護,選取1ohm的功率電阻是為了減小對直流馬達的影響。

 

首先選取LVR100的Rmin電阻和1ohm/3W的功率電阻熱耦合的元件來進行0C溫度下榨水果馬達堵轉保護時間。 

選取兩片Rmin電阻0.22ohm 的LVR100和功率電阻集成的元件,下面表1為馬達的保護時間。

 

 

 

表1  Rmin電阻的LVR100和功率電阻集成的元件在0C下馬達保護時間

 

 

由上表可見保護時間都在150S之內,滿足要求。 

其次選取典型值電阻的LVR100和功率電阻集成的元件,來進行0C/25C溫度下榨水果馬達堵轉保護時間,下表2為馬達的保護時間。

 

 

 

表2  典型值電阻的LVR100和功率電阻集成的元件在0C/25C下馬達保護時間

 

 

可見LVR100的典型值元件在0C/25C溫度下馬達保護時間還會更快,完全滿足小於150S的馬達保護要求。圖7為在25度下馬達堵轉保護的實測波形。

 

     圖7   PPTC元件在多功能豆漿機馬達堵轉保護波形

 

 

 

然後選取R1max電阻0.58ohm 的LVR100和功率電阻集成的元件來進行磨制豆漿的hold試驗,實驗結果證明元件能在一次完整的磨制豆漿過程中不誤動作。

 

由以上的試驗證明,TE connectivity公司研發出的LVR PPTC和功率電阻集成在一起的元件既可以滿足馬達的保護時間的要求,又可以在一次完整的磨制豆漿的週期內不誤動作,達到了設計和保護要求。 

 

 

 

結論

 

PPTC可以用在小家電的馬達堵轉保護中,對於多功能豆漿機等較為複雜的馬達堵轉保護,TE connectivity也針對此類問題,研發出LVR PPTC和功率電阻利用熱耦合集成在一起的元件,解決了原來PPTC在豆漿機等家用電器中直流馬達堵轉保護時間慢的問題,為客戶解決此類問題提供了一種全新的方案。