基於Richtek RT7075及RM05N60的直流無刷電機驅動應用吊扇解決方案

隨著人們生活品質水準提升,全球節能減排的環境下。立錡科技推出RT7075直流無刷(BLDC)電機驅動應用系統解決方案。BLDC(直流無刷)電機正迅速成為要求高效率,高功率,高可靠性,低發熱等特性和優點,正切合了國家的節能減排的要求。立錡RT7075電機控制技術讓電機運行更安靜。
  RT7075是集成了三相電機控制器和門極驅動器的2-in-1產品,它以32位元ARM Cortex-M0 為核心,與ADCDAC、通訊介面、SVPWM、看門狗計時器等多種週邊電路結合在一起,具有電流檢測、過流保護、欠壓保護等功能,可以完成磁場定向控制(FOC)和無感測器電機控制任務,以其為核心構成的電機驅動器元件數量少,板面空間佔用少,成本低廉。控制系統運行的系統固件就存放在晶片中集成的記憶體裡,它們是可以反復改寫的。
  RT7075 的直流無刷電機控制器自帶支援無/有感測器的正弦 FOC 控制演算法,其固件設計已通過 UL 安全認證,可滿足風扇、泵浦等各種應用的電機控制需求。RT7075 3 相門極驅動器具有強大的驅動能力和多種安全防護設計,可以輕鬆適配各型 MOSFET IGBT,支援輸入電壓最高達 600V 的各種應用。
 日本一家著名企業在設計 40W 空氣淨化器時遇到了難題,它運行時發出的雜訊的聲壓級達到了 35dBA35dBA 的聲壓級不算是很高,在一間非常安靜的屋子裡就能測量到這樣的雜訊水準,我們說悄悄話時也能達到這樣的響度。一般人可能不會在意這樣的聲音,但比較敏感的人就很難容忍了,尤其是在他們需要睡眠的時候,這可能讓他們很煩躁。在淘寶上能搜索到很多聲壓計量產品,即使這些產品做得非常專業,它們能夠測量的聲壓下限也是 30dB,大概是因為能夠引起大多數人注意的聲壓範圍下限就在這兒了,測量再低的資料對很多人來說已經沒有什麼必要。我們都知道日本人對產品缺陷是很挑剔的,為了讓產品更安靜,他們找到了立錡,立錡提供了一套全新的直流無刷電機驅動解決方案(核心型號為 RT7075),直接替換原有方案以後,空氣淨化器的噪音水準便降到了最高 25dBA 以下,下圖就是前後測試資料的對比圖:


 

   資料中的橙色部分是採用最初的電機驅動方案時測得的,該方案由一家日本 IC 廠商提供;藍色部分是採用立錡方案以後測得的,它幾乎在所有轉速情況下都比原有方案表現得更好。實際的測試是在聲學實驗室裡進行的,所有的外來干擾都被遮罩掉了,這樣就保證了測試結果的客觀性。立錡方案使機器的最高雜訊一下子降低了 10dB 以上,這便是非常明顯的改善了,自然得到了客戶的認同和採用。
   一台空氣淨化器的噪音源可能有好幾個,一為氣道,二為風機葉片,三為電機,在上述的替換中氣道、葉片都無變化,剩下的就只有電機了。
想要電機無聲運轉,轉子轉動時就不能有任何振動發生,這需要其定子和轉子之間的精密配合才能實現。
   立錡科技直流無刷電機驅動方案是以 ARM Cortex-M0 32 MCU 為核心的,週邊集成了高精度的 ADCDAC、電流檢測器、通訊介面、看門狗計時器和可控制生成正弦電流的 PWM 信號發生器等必要的週邊介面,控制系統運行的系統固件就存放在晶片中集成的記憶體裡,它們是可以反復改寫的。
  使用者在使用普通的 MCU 時需要自行設計軟體代碼,可編寫電機控制軟體對於大多數人來說並不容易,所以立錡銷售的電機控制器都是預先寫入可用程式了的。這種嵌入式的程式由於固化於晶片中,因而有一個特別的詞來對它進行表達,這便是固件,所對應的英文單詞是 firmware,與 software(軟體)、hardware(硬體)恰好形成對照,而這種解釋也是我自己推理得出的,不知道軟體行業是否也這樣進行解釋,因為在我從事軟體設計的時候還沒有固件這一說法,那時只會說軟體或是程式
   立錡電機控制軟體的核心是磁場向量的控制演算法,這在英文裡有一個稱呼叫 Field Oriented Control,簡稱 FOC。名稱中的 Oriented 是很重要的,它說明要對磁場的方向進行定位,因為電機的轉子磁場是不變的,你要驅動它旋轉,驅動它的磁場就必須是旋轉的,而且兩者必須同步,否則就會發生不必要的抖動,甚至可能出現逆轉等現象。下面的動圖是我從網上淘來的,從中可以看出轉子磁場是如何旋轉的,該磁場和定子線圈之間的關係也可以看出來:



    當三個定子線圈中分別通過不同的電流時,它們也分別生成了一個特定的磁場,而這些磁場合成起來的磁場就成了驅動轉子磁場運動的因素,它通過轉子磁場將作用力施加在轉子上,轉子也就在這樣的力的作用下有了特定的運動。將這些磁場分別用向量來表達,就有了下面的動圖可以用來做參考,需要說明的是這個圖也是從網上淘來的,我得在這裡對它們的製作者表達感謝。


   

只要最後合成的向量總是以相同的速度在一個圓周上勻速運動,轉子的轉動就是平穩無抖動的,因而也不會有抖動雜訊出現,這時候流過各個線圈的電流的波形就是一個典型的正弦信號的樣子。從某種意義上可以這樣說,判斷一個電機驅動器性能如何的方法就是測量其電流波形,它越接近正弦,則它的性能越好,反之則很難這樣去想了。測量立錡直流無刷電機驅動器獲得的電流波形是這樣的:


   

   由於獲得低頻正弦波相對較難,所以這個波形是在電機轉速為 150rpm 時進行的,這樣也能讓你知道在這件事情上立錡人做得確實不錯。而在相同條件下對其他品牌的電機驅動器進行測量,得到的波形就沒有這麼美觀了,下面的兩幅圖形就是這樣得來的。

 
  

 由於不穩定的驅動帶來的振動會直接在電機軸上表現出來,所以觀察電機軸的振動信號也是有意義的。前述的日本廠商就進行了這樣的測量,測量所得的振動信號的頻譜圖如下:


   

 這是使用立錡方案時的測量結果,振動幅度為 1470mm,而原有方案所導致的振動幅度則達到了 2060mm,相對來說其性能就要差一些,其頻譜分佈如下圖所示:


立錡科技為市場提供的直流無刷電機驅動解決方案由電機控制器、門極驅動器、功率元件等產品以及由電機控制器和門極驅動器集成在一起的二合一產品和將電機控制器、門極驅動器及功率元件都集成在一起的三合一產品組合而成,組成完整的電機控制系統所需要的 PFC 控制器、電源轉換器等產品也都齊備,因而可以滿足客戶在應用上的所有需求。

►場景應用圖

►產品實體圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►原理图

►方框图

►封装图

►核心技術優勢

RT7075直流無刷電機(BLDC Motor)成本低、性能好、效率高、易操控、維護需求少,與之配合的控制系統更是實現完美性能的關鍵,具有如下特性 : 1. 啟動更柔順,啟動過程可程式控制,無需位置感測器的協助,有效避免逆轉現象。 2. 使用無需霍爾元件的帶電流回饋向量控制演算法; 3. 控制函數固件內置,客戶可自由設定所需特性,支持固件在板更新,免去庫存煩惱。 4. 通過 UL IEC60730-1 B 類認證,運行安全有保障,讓產品認證更易實施。

►方案規格

1. ARM 32位Cortex-M0 CPU,高達60MHz 2. 通信協義支援 I2C 與 UART 3. 10路10Bit ADC 4. 1路電流類型的6Bit DAC 5. 1路電壓類型的8Bit DAC 6. 記憶體大小:16kb,內部ROM 7. 嵌入式電機控制庫和4KB, SRAM 8. 最高 600V 輸入 9. 輸出端電流吐納能力 290mA/600mA

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