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专为无刷直流电机设计的单片机现世!取代有刷已成大势?

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华秋电子
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发表于:2022/6/23 16:01:16
#0楼
在节能减排已经成为消费者的新需求时,各种工业企业也开始了转型,配合国家的政策向节能减排发展。在动力部分,要想配合节能减排的方针政策,主要就是提高技术,选择适合的电机,那么什么电机既能满足生产需求又能做到节能减排呢?

有刷电机与无刷电机

有刷电机

主要由永磁材料制造的定子(Stator)、绕有线圈(Coil)绕组的转子(Rotor) 、换向器(Commutator)和电刷(Brush)等构成。在磁场中放置线圈,通过流动的电流,线圈会被一侧的磁极排斥,同时被另一侧磁极所吸引。电机中的换向器部分是靠电刷供电的,电刷的位置在转向器上方,随着旋转不断移动。通过改变电刷的位置,可使电流方向发生变化。换向器和电刷是直流电机旋转所不可或缺的结构。



无刷电机

无刷电机,简称:BLDC,“BL”意为“无刷”。

无刷直流电机的定子(Stator)是线圈(Coil)绕组电枢,转子(Rotor)是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流,则电机只能产生不变的磁场,电机不能转动起来,只有实时检测电机转子的位置,再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流,使定子产生方向均匀变化的旋转磁场,电机才可以跟着磁场转动起来。无刷直流电机以电子换向器取代了机械换向器,所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单,无换向火花,运行可靠和易于维护等优点。



无刷电机可以使用直流电源或者是交流电源供电,满足各种行业的不同需求,同时无刷电机的体积要比同功率的有刷电机30%以上,安装更为方便合理。最重要的是,无刷电机的电能转化率达到80%以上,比其他电机要节能50%。

电子产品大都在遵循“摩尔定律”,唯独电机产业近20年来没有任何更新换代——但随着半导体组件如功率组件(MOSFET),微控制器(MCU),驱动组件(Gatedriver)的普及,使得无刷直流电机的总成本降低很多,BLDC直流无刷电机技术替代传统电机已经势在必行。

据国家统计局统计,2010年以来,无刷直流电机(BLDC)行业收入连年增加,2016年为189.2亿元,同比增长22.3%,中国无刷直流电机(BLDC)的市场前景较为乐观,市场规模将进一步扩大。预计未来五年,行业增速仍将保持在20%左右的水平,到2022年行业市场规模将达到565亿元左右。

专为无刷直流电机应用而设计的单片机及其解决方案

相较于传统直流有刷电机的电刷因长期磨损的关系需要一直保养维护,直流无刷电机不使用基于电刷的机械式换相,而是采用电子式换相,配置适当的驱动器来控制电机换相,可以提高效率且相对安静与省电,在现代许多家电、工业应用中都可以看到直流无刷电机。

高性能的BLDC电机相信是未来电机发展的重要趋势;与此同时,终端消费市场对电机驱动控制不再仅限于电机启停,定速变档等,还需要具有高性能,低噪音,效率高等要求;MCU作为电机驱动控制的大脑,变得尤为重要。

观察近年来的MCU市场规模,中国通用MCU产品中,32位MCU产品占比最高,达54%;其次为8位MCU产品,占比达43%。与全球MCU产品结构占比相比,中国16位及32位MCU产品占比仍较低。考虑到8位的单个芯片比32位芯片要便宜很多的事实,8位的出货量其实远高于32位的。可见得32bit/8bit的选择不属于「是非题」,还是要视应用端而定。一般来说,控制型或大量需要位元(bit)运算的应用仍然会选择8bit MCU。此外,8bit MCU有些架构上的特点,如可较节省程式空间与降低中断延迟。在许多嵌入式设计上,8位MCU比32位拥有更容易设计的优势,依循8位架构的软件和硬件比起32位将更为简易。

BD66FM5250 作为一款 8 位高性能精简指令集 Flash 单片机,它高度集成多种特性,专为无刷直流电机应用而设计。



在存储器特性方面,Flash 存储器可多次编程的特性给用户提供了较大的方便。除了 Flash 程序存储器,还包括 RAM 数据存储器和用于存储序列数据、校准数据等非易失性数据的 True EEPROM 存储器。此外通过使用 IAP 功能,便于用户直接将测量的数据存储至程序存储器中或进行应用程序更新。

此单片机具有性能良好、功耗低、I/O 使用灵活的特性,外加集成有定时器模块、内部振荡器、多通道 A/D 转换器、D/A 转换器、运算放大器、脉宽调制功能、16 位捕捉定时器模块、比较器、电机保护模块、霍尔传感器位置检测功能、 UART 接口功能、16 位 MDU、时基、低电压复位、低电压检测、暂停和唤醒功能。虽是一款专为无刷直流电机应用而设计的单片机,但其强大的功能使得 它可以广泛应用于 A/D 产品中,例如传感器信号处理、电机驱动、工业控制、 消费类产品和子系统控制等。

合泰与华秋联合推出基于BD66FM5250定制的五节锂电池 BLDC 冲击扳手应用方案,可应用于脚手架冲击扳手等领域。

应用特性

操作控制:VR无级调速、正反转控制

档位显示、档位切换、断电档位记忆

反转自停功能,断电功能记忆

延时断电功能,关机后零消耗

提供电压保护、过电流、过温及堵转保护功能

工作原理

电机控制工作原理简介(以 BD66FM5250 为例),分为转向与转速控制两个部分。

转向控制

图片左侧为电机控制向前转概念图、右侧为 MOSFET 开关(Mask 功能)方框图,为了使得电 机运转,我们必须让电机内的转子动起来,而转子就是所谓的磁铁,我们通过控制 MOSFET 开关电路来使得电流流过特定方向的定子绕组(U、V、W 其中两个)并产生磁场来吸引转子 (磁铁),接着通过换相时序来改变开关电路使得电流流过另一个不同方向的定子绕组,并继 续吸引转子,而这个吸引转子的过程就是让驱动电机的简易工作原理,且改变换相时序的 组合,即可达到正反转的转向控制,在 BD66FM52xx 系列中,我们只需要控制电流的方向即可让电机运转起来。

转速控制

无刷直流电机有一个特点,那就是可以自由调变电机的转速,对于 User 来说非常方便。 其原理为电机的转速与磁场大小成正比,而该磁场是由流过定子绕组的电流所产生的,电流越强,磁场越大,电机转速也会越快。流过定子绕组的电流大小由外部驱动 MOSFET 开关发出 PWM 信号(高电平为导通,低电平为打开)所决定的,当开关导通时,会有电流流过定子绕组;当开关打开时,则不会有电流。高电平与低电平两者的比例称为 Duty(占空比), 当 Duty=100%(都为高电平)时代表一个周期内,开关都导通,此时电流最大;当 Duty=0%(都 为低电平)时代表一个周期内,开关都打开,此时电流为 0,故我们可以通过调变 PWM 的 Duty 占空比来进而调整电流的大小,达到控制电机的转速的目的。




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此外,目前针对 BLDC 领域,华秋电子可为用户提供从方案设计到各类元件采购的一站式解决方案,包括 BOM 配单一键采购、PCBA 加工。在各特定的细分行业,华秋电子还推出了如 BLDC 破壁机、抽油烟机、风扇吊扇、卷发棒、高速风筒等可量产的全套解决方案,欢迎进入方案中心查看了解更多~
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