如何将您的应用合算地过渡到无刷直流电机

使用ARM Cortex-M3 CPU的高效系统

借助软件手段，CPU和闪存可以实现特别高的系统灵活性，比如满足旋转速度和电流控制的实时要求、分布式执行器系统(如LIN集群)中的通信以及诊断功能。主振荡器已经集成在里面。我们可以在不影响外设功能的情况下逐步降低CPU周期来降低功耗。为了减少电磁辐射，其中还包含了一个电磁干扰抑制模块(ERM)。所有外设模块都可以通过AHB/APB总线系统进行编程，进而满足系统要求。集成的NVRAM允许存储诊断和应用数据。

在电源方面，高压控制器系列产品是直接通过12V板载电气系统供电，并符合ISO 7337测试脉冲要求的。启停系统由专门的“保留模式”提供支持。与传统的线性稳压器相比，集成的开关稳压器(降压转换器)可以最大限度减小功率损失。节能模式可以为比如K1.30应用提供低功耗。外部负载(如霍尔传感器)可以通过可编程高侧开关进行供电。

针对分布式小型驱动系统(如HVAC系统)中的通信，高压控制器中集成了LIN-UART和LIN物理层。另外，LIN集群中还有第二个LIN引脚可用，它具有自动寻址功能，例如可用在HVAC阀门应用中。这里介绍的系统集成和网络功能是小型和微型电机进一步微型化和提高集成度的重要途径。

驱动系统的可靠性受所用驱动电路的影响很大。新高压控制器架构包含有扩展诊断和保护功能，其SPFM超过60%(“ASIL可用”)。这对于符合ISO 26262的系统级分解来说很重要，即对于将安全与安保要求分配给各个独立的系统单元来说也很重要，并且可以在系统、硬件和软件级来进行。

由于元件数量的减少，高系统集成度对要求的系统失效率FIT(故障时间)有积极的影响。
用软件实现“热管理”就是一个有关灵活诊断的极好例子。  


图1：BLDC电机中的电路集成
   
通过评估电流和温度，我们就可以采取一定的措施来适应工作环境，比如减少CPU周期，限制电机电流，改变电机电桥中的续流电流图案等等。

新的HVC 4223F采用6mm×6mm小型40引脚QFN封装，非常适合微型化，并将电路集成到电机或执行器中。另外，“外露的焊盘”(ePAD)可以保证良好的导热连接。-40℃至+150℃的结点温度范围和集成的过温监控允许其在温度恶劣的应用中使用。

用BLDC电机定位执行器的应用例子

用于定位应用的机械执行器通常需要提供高扭矩(比如在阀门、襟翼等应用中)。通常负载端要用到齿轮来获得低转速(rpm)，但这会由于摩擦而引入相当大的损耗。在许多情况下，执行器必须施加一个稳定的保持扭矩，并且不应丢失其最后的位置，以避免校准运行。由于重量减轻和空间限制，电机和电路的几何结构扮演着重要的角色。本例介绍了一种单芯片电机执行器解决方案，由HVC4223F驱动BLDC电机，并通过LIN通信接口完成无传感器的六步换向。图2显示了通过HVC 4223F单芯片解决方案集成完整电路的阀门执行器的原理系统。
   



表3，HVC 4223F所用外设功能一览表

硬软件交互和电路解决方案

运动控制系统中软硬件的高效交互取决于可用芯片外设的特定功能分布情况。表3总结了针对图2所示无传感器六步换向系统的一种可行方法，包括转速和电流控制、诊断功能和通信栈。软件架构可以是比如带中断的一个简单轮询。


图2：使用BLDC电机的系统例子
   
图3给出了这种系统的基本电路解决方案。电机的外部元件数量可以减少到12个元件的最小值(参考图3中的表格)。如若有特殊的系统静电放电和/或电磁兼容要求，比如在直流供电链路或LIN信号路径中，某些附加元件比如磁珠可能就会需要。


图3：原理电路解决方案
  
本文小结

由于电路成本在不断下降，使用BLDC电机技术的小型电机驱动解决方案的数量将不断增加。Micronas公司提供的高集成度单芯片HVC 4223F解决方案就是这种技术发展的一个催化剂。

电机的品种和功能将不断增加，包括智能驱动器之间的联网功能。另外，我们必须满足对更轻重量、更小尺寸、更高功率密度和更低成本的要求。所用的电机需要轻便小巧，并能用于分布式LIN总线网络。

由于完整的微型电机平台可以用单芯片解决方案开发，设计时间可以大大缩短。通过适当地修改软件，我们就可以适应不同的电机类型和属性。今天的有刷直流电机解决方案完全可以用无刷直流电机系统1:1替代，而这从外部看来就像是传统的电机，但内部则可以提供实现智能运动控制所需的所有优势。

自诊断和功能安全的作用越来越大。通过电子技术“集成了智能”的驱动器可以提供这种诊断功能。举例来说，一个电机的属性可能在整个生命周期内随时改变。这些效应可以被电路跟踪和存储，并可进行一定程度的调整。

修改软件可以满足大量的功能和应用要求。客户只需一种控制器就能高效地配备一个完整的执行器平台。少量的分立元器件和高集成度提供了高度的微型化，并能实现具有现代电机优势和好处的经济性解决方案。高度的软硬件复用性则允许快速响应不断变化的用户要求。