先进节能直流无刷电机控制器

节能减排的议题在国际舞台中不断地受到重视，其目的就是为了防止环境污染继续恶化、改善气候剧烈变动，以及在地球有限资源情况下订定条款并相互约束。在普通消费者看来，节能减排无非就是随手关闭电源，或搭乘公共交通系统，以便减少资源的浪费及实现资源回收再利用等目的。但是除了这些随手可以实现的动作之外，另一个根本问题就是如何提高能源使用效率。美国 EPRI就曾指出，全球电机所耗费的金额一年高达950亿美金，占了所有电力51%；其次是照明19%，冷却/供暖16%， IT 14%。

无论是工业、家庭还是商业用电，电机所消耗的能源都占有很高的比例。以中国台湾2007年的工业用电为1172亿度为例，电机用电约820亿度，占了总体用电的70%。如果改善电机系统的输出、输入功率比，就可以提高用电效率。

所以各个国家或者地区都针对电机及照明这两大类有关产品提出改进计划。

表1  各国对电机和照明产品的改进计划



家庭用电大约可分为电源转换输出(灯、电视)及电机驱动(冰箱、洗衣机、冷气、风扇、吸尘器等)这两大类，其中电机驱动所消耗的电力占家庭用电的70%。根据台湾工程研究院的数据，如果电机效率提升10%，一年约可节省100亿度的电量，相当一座大中型核能发电站所发的电量。若再以全球一年的发电量约为20兆度来计算(在中国1兆是1万亿)，可以节省2兆度的用电量。这个惊人的数字等同于两百座中大型核电站的电量。而且在能源法规及环保议题带动下，产业、产品升级已是维持经济持续发展的必要条件。


图1

当今家电产品的驱动电机分为交流电机、直流电机两类；直流电机又分为直流有刷及无刷电机。由于材料科学的进步，直流无刷电机(BLDC 或 PMSM)的研发及生产近期有相当大的突破。直流无刷电机具有安静、无噪声、免维护保养、寿命长、体积小的特性及优点；尤其是高效输入/输出比，在节能及环保方面均有优异表现。

直流无刷电机在技术层面以及进入门槛的要求都比其他电机(如交流、直流有刷)更高，因此拥有较高的附加值；同时在面临能源短缺及环保要求双重压力下，高效率环保产品自然成了追求的目标，而采用直流无刷电机设计的产品轻松符合以上要求。



直流无刷电机控制驱动上可采用方波驱动(Trapezoidal Control)或磁通正弦PWM驱动两种控制系统算法。其中，磁通正弦驱动备受业界嘱目。


磁图

2通正弦PWM

仅依靠3个霍尔零件无法顺利产生正弦波相电流控制信号，必须整合高分辨率的位置编码器来辅助霍尔零件，以取得更精确的位置信息，如此方能产生所需的正弦波。但位置编码器的高成本却不是一般应用所能接受的，空间向量调制应运而生。

空间向量调制PWM（SVPWM）也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用控制器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定控制器的开关，形成PWM波形。此法从无刷电机的角度出发，把控制器和电机看作一个整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使直流无刷电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通)。[page]

具体方法又分为磁通开环方式和磁通闭环方式。磁通开环法用两个非零向量和一个零向量合成一个等效的电压向量，若采样时间足够小，可合成任意电压向量。此法输出电压比正弦波调制时提高15％，谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环方式引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速度。在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成PWM波形。这种方法克服了磁通开环法的不足，解决了直流无刷电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的震动和噪声。

在飞兆半导体产品中，有一系列无刷电机应用参考电路。其中，控制单元(Motor Control IC)-FCM8201/02具备着方波/弦波两种驱动方式，可依不同产品用途择一使用及多种保护功能，有别于一般MCU单元需要软件撰写的能力方能设计使用，降低开发技术门槛，并可大幅的缩短厂商产品开发量产时程。其他的如飞兆半导体智能功率模块 (SPM)  (IGBT/MOSFET,HVIC)、PFC、电源管理IC等，飞兆半导体皆可快速提供完整的方案。

在不同的应用场合及产品中，方波驱动具有低切换损失以及不需要精确的转子反馈等优点。但随之而来的是转矩脉动较大，较适合在大能量输出场合使用。如载具、泵、工具机、工业用风扇及室外型产品。

弦波驱动无刷电机有运转平顺及无震动、无噪声的优势，较适合场合:吸尘器、空调、冰箱、洗衣机、洗碗机、家用风扇等家用产品。

家用风扇

无叶风扇、空气循环扇、一般家用落地扇、台扇、吊扇……追求的要点是室内空气循环，搭配空调增加效率、自然风、静音，已经跳开以往直吹的观念，追求的是更加舒适的生活。以往交流电机要达到相同的功能及效率需要付出额外的控制线路及电机材料、体积提升因此成本结构会大幅增加。直流无刷电机在具备效率及生产优势上，且具有控制单元很容易将智能功能加入来达到舒适家居生活的目的。


图3

为了避免通过的电流量不堪负荷，造成芯片的损坏，并有更好的保护功能，FCM82XX系列内置OCP(Over Current Protection)的设计回路。目的是让过电流的情况下，芯片还能够受到完整的保护。

过电流保护

FCM8201/02提供三阶段的过电流保护。

第一阶段称过载电流保护(Over-load Current Protection) ，保护动作的门槛电压(VOCP_OL)为1.4V。第二阶段为PWM每一周期的电流保护(Cycle-by-cycle Current Protection)，保护动作的门槛电压(VOCP_CYC)为1.5V。最后阶段则是短路电流保护(Short Circuit Current Protection)，保护动作的门槛电压(VOCP_SH)为2.5V。

图4

结论

在这个电力缺乏与环保意识抬头的年代，降低核能发电已是所有人共同努力的目标，对于高效能电机驱动的需求也逐渐被社会大众所接受，当然电机控制芯片的设计要求也越来越高。比如，BLDC或PMSM电机的无传感器、霍尔传感器以及高阶电机驱动器的无传感器与PFC都是未来的发展趋势。提供完整的设计方案与仿真软件，除了可以简化开发的时程，还能将电机驱动达到最优化的效率，才能有效的缩短产品上市的周期。