AC電機 BLDC/PMSM 飛兆半導體

為了實(shí)現高可靠性、低成本和高效率，目前，電機控制應用設計人員正在從傳統的通用或交流(AC)電機設計轉換到更為成熟的無(wú)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、復雜的電機控制算法，不管選擇哪一種方法都具有挑戰性，甚至會(huì )導致巨大的研發(fā)資源支出及更長(cháng)的設計時(shí)間。

從AC電機轉向BLDC電機

飛兆半導體BLDC產(chǎn)品線(xiàn)市場(chǎng)經(jīng)理簡(jiǎn)文烯告訴本刊記者，在發(fā)展中國家，電機消耗的能量占據工業(yè)能源使用的60%~70%，電機驅動(dòng)電器(洗衣機、空調、風(fēng)扇等)占據總體家庭功耗的70%左右。因此，在全球，減少電子系統中電機使用的能量，成為了當前業(yè)界急待解決的首要問(wèn)題。

簡(jiǎn)文烯對比了傳統的AC電機和BLDC電機之間的優(yōu)劣，AC電機工作效率只有35%，有噪聲，體積比BLDC電機大，重量多出33%~50%。旋轉速度受限于A(yíng)C頻(50Hz/60Hz)，并且不可調節； 工作時(shí)溫度會(huì )高達90℃，用途單一，壽命短。而B(niǎo)LDC電機的效率高達90%,旋轉速度采用線(xiàn)性控制，根據工作負荷可自動(dòng)調節，工作溫度為40℃~45℃，應用范圍廣泛且壽命長(cháng)。簡(jiǎn)文烯指出，如果電子設計工程師要將AC電機控制轉換成BLDC/PMSM解決方案，同樣也會(huì )遇到新的挑戰，比如說(shuō)，以往傳統電機設計的工程師對電機的硬件比較了解，而缺乏對電子控制算法和將復雜的數學(xué)計算轉換為軟件編碼的經(jīng)驗和專(zhuān)有技術(shù)等等。

因此，電機設計工程師希望有新的解決方案能夠提供模塊化的先進(jìn)電機控制軟件庫，能最大限度減少軟件設計工作，但是仍然提供可編程的系統控制和通信接口，用于實(shí)施附加功能，提供硬件保護和穩健的模擬控制器。簡(jiǎn)文烯指出，飛兆正是針對市場(chǎng)上這種需求，推出了用于BLDC電機控制的新架構。

用于BLDC電機控制的新架構

簡(jiǎn)文烯介紹說(shuō)，為幫助設計人員應對這些成本和軟件負擔，飛兆半導體開(kāi)發(fā)了FCM8531模擬及數字集成式電機控制器。FCM8531是一款三相混合BLDC/PMSM控制器，具有兩個(gè)并行處理器，一個(gè)是先進(jìn)的電機控制器(AMC)，另一個(gè)是嵌入式微控制器(MCU)。該產(chǎn)品針對復雜的電機控制應用提供了一個(gè)完整的單芯片解決方案。這兩個(gè)核心處理器獨立工作，但可通過(guò)有助于避免系統掛機并增強硬件保護的內部通信接口協(xié)作進(jìn)行數據交換。FCM8531通過(guò)其集成式硬件控制器和MCU接口管理功能最大限度地減少軟件負擔，并實(shí)現了更高效且快速的負載響應電機系統。據了解，AMC專(zhuān)用于電機控制，由一個(gè)基于硬件的電機控制器外加一個(gè)可以配置為數種專(zhuān)用電機控制算法的可配置處理內核。嵌入式MCU是流程控制和通信接口的中心，管理速度控制面板、遙控裝置或LED燈指示器等功能；主要職責是MCS 51兼容MCU處理器向AMC提供電機控制指令，執行電機控制行動(dòng)，并且管理外部通信接口(圖1),AMC與MCU之間的MSFR是一個(gè)專(zhuān)用功能寄存器，是MCU至AMC間的構建平臺。

那么，這種混合架構是如何工作的呢？簡(jiǎn)文烯解釋?zhuān)珹MC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算法，如正弦波控制、磁場(chǎng)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接口使用戶(hù)能輕易改變寄存器的值，滿(mǎn)足不同電機操作流程及特點(diǎn)的要求。該器件非常適合于解決無(wú)速度傳感器風(fēng)扇應用中的啟動(dòng)抖動(dòng)，以及各種風(fēng)扇和泵應用中的噪聲和低效率問(wèn)題。FCM8531具有多種硬件保護功能，如過(guò)壓保護和過(guò)流保護。其設計考慮及提供對所有故障模式的快速響應，同時(shí)嵌入式MCU可輕易地實(shí)現額外功能。

可配置混合架構的優(yōu)勢

簡(jiǎn)文烯強調，飛兆這種模擬及數字集成式電機控制器混合架構的特點(diǎn)與優(yōu)勢主要體現在，一是具有最少的軟件工作。使用集成式MCU的AMC能最大限度地減少軟件負擔，并提供靈活的設計適應性。通過(guò)使用飛兆配置和存儲在A(yíng)MC中的軟件庫，AMC可以執行FOC和DQ控制等強大算法，MCU僅需要簡(jiǎn)單的系統控制軟件編程。