马达控制解决方案推荐

 

我们的生活可以说已经离不开马达的运转，走进家门，我们的洗衣机、吹风机、电动胡须刀、豆浆机，甚至小孩子的玩具都有马达在发挥它的作用；走出家门，汽车、电动车、工厂设备等，马达也是他们的核心。在不同的环境下，我们会用到不一样的马达，这就意味着不一样的马达，需要不一样的解决方案支持。

之前在大联大的工作人员支持下我整理了一些解决方案的汇总，虽然不太全，但是也算是一部好的解决方案，希望大家在看完后可以给我一些建议。这里的方案主要是针对不同的应用领域的方案，分别来自Fairchild 、Magnachip 、Samsung、ST、TI 以及TE。

 

Fairchild高效无刷直流电机控制设计方案

目前的电机控制应用设计人员正在从传统的通用或交流电机设计转换到更为成熟的无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）设计。然而，如果设计人员不能有效获得高级、复杂的电机控制算法，不管选择哪一种方案，都非常具有挑战性。而且，我认为这可能会导致巨大的研发资源支出及更长的设计时间。 

 

现在准备给您介绍的飞兆半导体公司的FCM8531 模拟及数字集成式电机控制器，就可以帮助设计人员应对这些成本和软件负担（但不是完全替代）。大联大的技术人员介绍FCM8531 是一款定制的可配置解决方案，配有帮助电机控制设计人员缩短上市时间且最小化软件设计工作的用户指南、参考设计和评测板。

FCM8531是一款三相混合 BLDC/PMSM 控制器，具有两个并行处理器、一个先进的电机控制器(AMC)和一个嵌入式微控制器(MCU)。该产品针对复杂的电机控制应用，提供了一个比较完整的单芯片解决方案。这两个核心处理器独立工作，通过有助于避免系统挂机并增强硬件保护的内部通信接口协作进行数据交换。FCM8531通过其集成式硬件控制器和 MCU 接口管理功能最大限度地减少软件负担，并实现了更高效且快速的负载响应电机系统。

 

我与大联大交流的时候，我们一致认为AMC 能够适用各种电机设计，使用可配置和存储的飞兆半导体库执行功能强大的算法，如正弦波控制、磁场定向控制(FOC)及直接正交(DQ)控制}，以提供高性能电机控制功能。 与 AMC 配对使用的 MCU 接口使用户能轻易改变寄存器的值，满足不同电机操作流程及特点的要求。 该器件非常适合于解决无速度传感器风扇应用中的启动抖动，以及各种风扇和泵应用中的噪音和低效率问题。FCM8531具有多种硬件保护功能，如过压保护和过流保护。其设计考虑及提供对所有故障模式的快速响应，同时嵌入式 MCU 可轻易地实现额外功能。

  

FCM8531集成了先进马达控制器（AMC）和一个51兼容的MCU，其中AMC为一个基于硬件的马达控制器加一个可配置为数种专用马达控制算法的可配置处理内核组成，用于实现马达控制，而MCU部分实现流程控制和通信接口的功能，向AMC提供马达控制指令，执行马达控制动作，并且管理外部通信接口。

 

该架构的优势在于：最少的软件工作，由于飞兆在AMC的软件库中配置和存储了大量软件库，AMC可执行FOC和DQ控制等算法，MCU仅需简单的系统控制软件编程；可靠性高，AMC和MCU独立工作，避免系统中断；性能稳健，AMC内置硬件实时保护功能，可实时检测PWM信号，并可在微秒内关断PWM信号防止系统损坏； AMC 能够适用各种电机设计，使用可配置和存储的飞兆半导体库执行功能强大的算法，如正弦波控制、磁场定向控制（FOC）及直接正交（DQ）控制}，以提供高性能电机控制功能。与 AMC 配对使用的 MCU 接口使用户能轻易改变寄存器的值，满足不同电机操作流程及特点的要求。

 

【系统方块图】

 

飞兆半导体还为电机控制开发配备了易于使用的开发工具——电机控制开发系统（MCDS），由一个集成开发环境（IDE）和一个允许工程师配置 AMC 并为 MCU 开发代码的 MCDS 编程工具组成。 该系统与处理核心一起提供一个集成式软件工程平台，有利于快速开发电机控制程序。 MCDS-IDE 易于使用并完善了设计目标时间表。当与 MCDS 编程工具套件一起使用时，可快速完成代码编程，从而可实时调整电机运行信号。

 

 

 

飞兆为可配置的AMC部分提供了针对不同应用而设计的软件库，供用户轻松实现产品设计，目前可提供的软件库包括速度积分、滑动模式和霍尔接口，可覆盖80%的市场应用，所以FCM8531除了可以应用于家用电器中的小电机控制，也可以用于大电流的工业电机控制之中。 

 

 

Magnachip  Power Module  马达控制

 

来自韩国的MagnaChip Semiconductor(前身为 Hynix半导体公司的系统集成电路业务)是全球领先的半导体生产商之一，具备世界级的技术能力，并且在韩国设有5家晶圆厂。这次介绍的是它的IGBT Module，有600V/50~300A 和 1200V/50~300A 产品，具有先进的SPT+ IGBT制程工艺，流畅的开关特性和低损耗。

大联大的技术人员介绍IGBT Module的特性细分下来有4个：New concept spring-type具有连接Gate and Emitter高静电防护功能；大封装大电流IGBT产品；多种尺寸封装选择；低杂散电感。

 

 具体应用包含：不断电系统；电焊机；马达变频器；电动车马达控制器；工业超声波加热器。

 

 

 

Samsung N429 MCU (Cortex M0) 通用电机控制

 

S3FN429是三星电机控制微控制器的新成员，利用一个小引脚数封装中达到高性能和成本效益。该设备控制，可用于如电动自行车应用 , 提供优化的功能。大联大的技术人员介绍这款产品主要可以用在PMSM以及BLDC电机控制；工业控制；家用电器应用；电动车、风扇、鼓风机和泵。

 

单独介绍一下这款产品的特性，其他的说明书上不太全，这里写多一些。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；电机控制IMC；PPD for position & speed measurement；10ch 12Bit ADC；1 x OP-AMP, 4 x Comparator；温度范围： -40 ~ 105℃

 

【产品方块图】

 

【产品照片】

 

 

ST 的80W直流无刷电机控制板 

这块板子主要针对80W及以下电机控制开发出来的具有高性价比及小空间的方案，在硬件方面采用ST的Viper16及STGIPN3H60,MCU采用高性能STM32F100C6T6B。优化的PCB layout及电路的设计，是方案具有高可靠性及生产的可执行性。 

 

这款产品的特色是两点：高可靠度：整个方案采用高性能MCU+高可靠性IPM，使得方案的可靠度高；PM的高集成度，使得客户在设计时能做到小尺寸，同时Layout也更为顺畅。 

 

【系统方块图】

 

【DEMO图】

*主要器件：

1，MCU：STM32F100C6T6B   电机控制主控MCU 

2，IPM ：STGIPN3H60        6*IGBT+6*驱动电路+3*自举二极管+一些阻容

3，Viper：Viper16L            开关电源集成芯片=驱动+MOSFET

  

 

ST 的三相高压变频器电路电源板

大联大的技术人员介绍三相高压逆变器电源板具有STM STGIPN3H60的永磁同步电机两种磁场定向控制（FOC）（PMSM）和梯形标量控制的无刷直流（BLDC）电机。

 

与上面的控制板相同，这款也具有两个特色，分别是：高可靠度：整个方案可以搭配MCU控制；使得客户在设计时能做到小尺寸，同时布局也更为顺畅。

 

【系统方块图】

【方案照片】

 

TI 的InstaSpin系列马达控制方案 

 业内说这个方案有三宝，包括TI InstaSpin BLDC : 马达只需数秒钟即可开始运转；TI InstaSpin FOC: 马达 ID 与自动调校解决方案，可针对所有变速、变负载马达的应用；TI InstaSpin Motion: 用最小的力度实现最大的控制。

 

在与大联大技术人人沟通的过程中，发现InstaSPIN-BLDC 专门针对低成本 BLDC 应用而推出，是一款可在数秒内启动马达并使之运转的无传感器控制技术，无需任何与马达参数及相关的知识即能够工作，而且用户仅需调节单个微调值即可。与其它基于反电动势过零检测时序的无传感器 BLDC 控制技术不同，InstaSPIN-BLDC 可通过监测马达的磁通量来判定为马达换向的时间。使用磁通量进行换向与使用反电动势过零检测时序进行换向相比，还能让马达在较低速度下更加稳定地运转。 与磁通量信号不同的是，反电动势信号的幅度会在较低速度下减弱，从而导致恶劣的信噪比性能。 InstaSPIN-BLDC 不仅可以低速实现顺畅运转，而且即便是在重负载下也能提供前所未有的可靠马达启动。

 

InstaSPIN™-FOC（磁场导向控制法）技术使设计人员（甚至那些在马达控制方面没有什么经验的人员）用数分钟的时间即可识别、调校并完全控制任何类型的三相、变速、同步或异步无传感器马达控制系统。

 

这项新技术借助 TI 嵌入在 Piccolo 器件只读存储器 (ROM) 中的全新软件编码器（无传感器观测器）软件算法 FAST™（通量、角度、速度和扭矩），让系统不再需要机械马达转子传感器，从而降低了系统成本并提高了操作性。 这提供了在所有变速和负载马达应用中提高马达的效率、性能及可靠性的高质量解决方案。

 

InstaSPIN-MOTION 由 LineStream Technologies 的 SpinTAC™ 提供支持。 SpinTAC™ 提供对系统不同的动态速度和负载范围均提供可靠的控制。 SpinTAC™ 通过用简单的单一参数调校取代调校困难的 PID 控制器，显著减少了设置时间。 InstaSPIN-MOTION 十分适合于需要精确的速度控制和最小干扰的应用，以及要进行多状态变换或动态变化的应用。

  

【系统方块图】

 

【应用范围】

 

TE 小家电马达堵转保护方案 

 这个方案是我最想与大家分享的，这个应用在我们的日常家用中是最普及的。小家电中会使用到马达的有豆浆机、食物料理机、榨汁机、搅拌机、绞肉机，打浆机，咖啡机等，马达在这些小家电中是非常关键的设备，如何设计一个高可靠性的马达系统是判断这些小家电质量的一个很重要的指标，以下正是讨论小家电中会经常碰到的马达堵转的保护问题。

PPTC可以用在小家电的马达堵转保护中，对于多功能豆浆机等较为复杂的马达堵转保护，TE电路保护也针对此类问题，研发出LVR PPTC和功率电阻利用热耦合集成在一起的组件，解决了原来PPTC在豆浆机等家用电器中直流马达堵转保护时间慢的问题，由此大联大的技术人员将它引进了解决方案，全新的方案由此诞生。 

 

【产品组合图片】

 

【产品图片】

 

TE LVR系列PPTC产品介绍

 下面的这些产品，是我在整个解决方案中发现的一个比较特殊的部分，拿出来与大家分享下。提到马达应用，过流保护等一类保护组件一定必不可少，那么在这方面有什么推荐呢？在过流保护方面，泰科电子提供PolySwith自复式组件，在过压保护方面，泰科电子提供GDT气体放电管和PESD/SESD静电保护组件，此外，泰科电子还提供综合保护组件2Pro和Polyzen，MHP，RTP等众多产品。

 

TE connectivity有众多的PPTC型号可供用户选择，LVR系列可复位电路保护器件，是专门用于防止商用和家用电器中使用的马达和变压器因过载、过热、堵转、零线故障和其它潜在因素导致的损坏的器件，PPTC的初始小电阻值在马达正常工作时不影响马达的工作，当PPTC在马达过载或者堵转的时候电阻迅速增加，以降低过载电流保护马达，当故障消除以后PPTC又可以恢复正常电阻让马达正常工作。TE connectivity LVR系列产品包括了多种额定值为120 VAC和240 VAC线电压等级产品，这些产品阻抗低、动作时间快、体积小并具备可复位功能，有助于电路设计者推出安全和可靠性良好的产品，并且减少了保修期内的修理费用。

 

大联大的人员介绍，与一次性使用的保险丝不同，PPTC器件无需在发生故障后进行更换。在过电流状况排除以及供电断开后，电路将恢复至正常的运行条件。与双金属型断路器产品相比，这种产品具有更高的灵活性、更长的使用期限以及更低的电磁干扰（EMI）。 

 

1.       我想向大家介绍下小家电马达堵转保护的一般设计流程，大家一定对这个会更感兴趣。

 

下面先介绍一下在小家电马达堵转保护设计中PPTC选型的一般程序。 

（1）       首先要确认PPTC的阻值上限R1max。下图1为PPTC阻值上限R1max的设计流程。

 

                                  图1  PPTC阻值上限R1max的计算流程

 

总之选择PPTC 的R1max就是要保证PPTC在马达工作在最高温度以及最大运行电流等最恶劣情况下不会误动作，那么在其它工作情况下PPTC肯定也不会误动作。 

 

（2）       其次确认PPTC的阻值下限Rmin。下图2为PPTC阻值下限Rmin的设计流程。

 

                                   图2  PPTC阻值下限Rmin的计算流程

 

 总之选择PPTC 的Rmin就是要保证PPTC在马达工作在最低温度以及最小故障电流等最恶劣情况下的保护时间能满足要求，那么在其它故障情况下PPTC肯定也会及时的保护。

 

（3）       最后确认PPTC的物理参数，比如PPTC的封装尺寸，PPTC是安装在控制板上还是安装在马达内等。

 

一般在小家电马达保护中使用以上的设计流程就可以设计出PPTC的型号，当然也有例外，多功能豆浆机的马达保护既有一般小家电马达堵转保护的共性问题，也有它的特性，下面就用多功能豆浆机的马达保护来阐述一下它的特殊解决方案。

 

2.       多功能豆浆机马达堵转保护实例介绍

 

多功能豆浆机功能强大，不但可以磨制豆浆，还可以制作果汁、果蔬浓汤、营养米糊、五谷杂粮、玉米汁、绿豆汁等几十个品种，既可制作热饮同时又可制作冷饮。

 

一般多功能豆浆机是由电动和电热系统集成在一起的产品，整机程序由微电脑系统自动控制，形成一个相对复杂的系统。多功能豆浆机从结构上分析，主要有机头，机身，马达，联轴器，杯盖，杯体，刀轴，控制电路板，液晶显示屏等组成。豆浆机里有温度传感器，用于检测加热器加热时杯体内的水温，当水温达到MCU设定温度（假设80 ℃左右）时，MCU启动马达开始磨制豆浆。一般多功能豆浆机的预热、打浆、榨果汁等全自动化过程，都是通过MCU控制，相应的驱动三极管，再由多个继电器组成的继电器组电路转换来完成。其中马达在多功能豆浆机中是一个非常重要的部件，它的使用安全问题直接影响到豆浆机的可靠性。

 

下图3为多功能豆浆机马达和加热器的简单电路示意图。豆浆机所用马达为220V直流马达，继电器的工作电压为12V，豆浆机利用继电器把MCU发出的低压控制信号I/O来控制交流高压信号的通断，R3为PPTC可恢复电阻，T1和T2为继电器。

                     图3  豆浆机马达和加热器的电路示意图

 

由于在使用多功能豆浆机时，豆浆机往往在制作果汁的时候会发生堵转，马达的堵转指的是杯体中的物品将马达轴承固定不使其转动，这时电压还加在马达的两端，这时候的电流就是堵转电流，一般的马达都是不允许发生堵转的，因为马达发生堵转之后马达线圈的温度会急剧上升，温度超过线圈的最高温度之后，时间稍长就会烧坏马达，这即增加了消费者的不便，也增加了生产者的维修成本。所以在豆浆机中增加马达保护装置是必不可少的，而且是在堵转消除后能自动恢复的保护，因此我个人比较同意大联大技术人员，选择TE connectivity公司的可恢复PPTC是一个不错的解决方案。

 

用上文所述的PPTC设计流程可以用在多功能豆浆机马达防堵保护设计中，但这是往往会碰到选择PPTC型号困难的问题，也就是说多功能豆浆机的马达保护设计会较普通的小家电马达保护复杂的多，图4为磨制豆浆时PCB板周围环境温度和马达外壳温度的实测图，可见控制电路PCB板PPTC周围的环境温度最高可以到达85C。由于豆浆机的PPTC最高环境温度85度会比普通的小家电最高环境温度要求高，这样既要在85度的最大工作电流下能正常工作，还要保证在最低温度0度的堵转电流情况下能及时的保护，相应的就增大了设计难度。下面就具体的阐述此类多功能豆浆机马达堵转的保护设计方案。

 

               图4  磨制豆浆时PCB板子和马达外壳的温度

 

以磨制豆浆时的电流确定最大工作电流，根据该最大工作电流和最大环境温度初步确定TE connectivity LVR系列PPTC的相关型号。图5为多功能豆浆机磨制豆浆时的工作电流，测得多功能豆浆机的直流马达的最大电流为800mA，由于磨制豆浆时马达是间隔一定时间工作的，并不是一直连续工作的，间隔时间由豆浆机MCU计时电路控制，所以计算PPTC要能维持的最大工作电流指的是马达工作整个周期的平均电流，图中所示的800mA的最大电流换算成在一个完整工作周期内为450mA。查阅LVR100在85度下的hold电流大约是550mA，所以首先选取LVR100。

 

                     图5  多功能豆浆机磨制豆浆时的工作电流

 

图6为多功能豆浆机的堵转电流。在榨水果的堵转情况下，实测马达的堵转最大电流为2A，由于榨果汁时马达也不是一直连续工作的，也是间隔一定时间工作，间隔时间是马达工作6S，停3S，这样换算成在一个榨水果完整工作周期内平均电流是1.6~1.7A。在1.6~1.7A堵转电流下，马达堵转需要保护的时间要求在150S内。

 

                                       图6  多功能豆浆机的堵转电流

 

从上述数据看到豆浆机的堵转电流仅仅只是正常工作时电流的3倍，还要考虑85度的最高温度和0度的最低温度的情况，磨制豆浆的时间较长，要在比如半小时之内能维持马达的正常工作，这样造成马达保护的设计很复杂，因为很难满足PPTC动作时间快的要求，因为当堵转电流和正常工作时电流的比值越大， PPTC保护的时间越快，PPTC的选型也越容易。现在在0C温度下1.6~1.7A的堵转电流下，LVR100的保护时间会非常长，远远不能满足在0C温度下150S保护时间的要求。

 

那如何实现上述多功能豆浆机马达保护的问题呢？TE connectivity公司研发出一种用LVR PPTC和功率电阻利用热耦合的方式连接在一起的组件来实现多功能豆浆机马达的快速堵转保护。本实例中采用LVR100和1ohm/3W的功率电阻热耦合的组件，让功率电阻和LVR100能很好的热接触，目的就是为了使功率电阻能在堵转的时候加热LVR100使其更快的保护，选取1ohm的功率电阻是为了减小对直流马达的影响。

 

首先选取LVR100的Rmin电阻和1ohm/3W的功率电阻热耦合的组件来进行0C温度下榨水果马达堵转保护时间。 

选取两片Rmin电阻0.22ohm 的LVR100和功率电阻集成的组件，下面表1为马达的保护时间。

 

  表1  Rmin电阻的LVR100和功率电阻集成的组件在0C下马达保护时间 

 

由上表可见保护时间都在150S之内，满足要求。 

其次选取典型值电阻的LVR100和功率电阻集成的组件，来进行0C/25C温度下榨水果马达堵转保护时间，下表2为马达的保护时间。

 

 表2  典型值电阻的LVR100和功率电阻集成的组件在0C/25C下马达保护时间

 

可见LVR100的典型值组件在0C/25C温度下马达保护时间还会更快，完全满足小于150S的马达保护要求。图7为在25度下马达堵转保护的实测波形。

         图7   PPTC组件在多功能豆浆机马达堵转保护波形

 

然后选取R1max电阻0.58ohm 的LVR100和功率电阻集成的组件来进行磨制豆浆的hold试验，实验结果证明组件能在一次完整的磨制豆浆过程中不误动作。

 

由以上的试验证明，TE connectivity公司研发出的LVR PPTC和功率电阻集成在一起的组件既可以满足马达的保护时间的要求，又可以在一次完整的磨制豆浆的周期内不误动作，达到了设计和保护要求。

 

PPTC可以用在小家电的马达堵转保护中，对于多功能豆浆机等较为复杂的马达堵转保护，TE connectivity也针对此类问题，研发出LVR PPTC和功率电阻利用热耦合集成在一起的组件，解决了原来PPTC在豆浆机等家用电器中直流马达堵转保护时间慢的问题，为客户解决此类问题提供了一种全新的方案。 

说了这么多，希望大家能对马达控制解决方案有所认知，十分感谢大家能够通读到此，另外感谢大联大集团的技术人员的支持。

 

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