基于Richtek RT7075及RM05N60的直流无刷电机驱动应用吊扇解决方案

随着人们生活质量水平提升,全球节能减排的环境下。立锜科技推出RT7075直流无刷(BLDC)电机驱动应用系统解决方案。BLDC(直流无刷)电机正迅速成为要求高效率,高功率,高可靠性,低发热等特性和优点,正切合了国家的节能减排的要求。立锜RT7075电机控制技术让电机运行更安静。
  RT7075是集成了三相电机控制器和门极驱动器的2-in-1产品,它以32ARM Cortex-M0 为核心,与ADCDAC、通讯接口、SVPWM、看门狗定时器等多种外围电路结合在一起,具有电流检测、过流保护、欠压保护等功能,可以完成磁场定向控制(FOC)和无传感器电机控制任务,以其为核心构成的电机驱动器元件数量少,板面空间占用少,成本低廉。控制系统运行的系统固件就存放在芯片中集成的存储器里,它们是可以反复改写的。
  RT7075 的直流无刷电机控制器自带支持无/有传感器的正弦 FOC 控制算法,其固件设计已通过 UL 安全认证,可满足风扇、泵浦等各种应用的电机控制需求。RT7075 3 相门极驱动器具有强大的驱动能力和多种安全防护设计,可以轻松适配各型 MOSFET IGBT,支持输入电压最高达 600V 的各种应用。
 日本一家著名企业在设计 40W 空气净化器时遇到了难题,它运行时发出的噪声的声压级达到了 35dBA。35dBA 的声压级不算是很高,在一间非常安静的屋子里就能测量到这样的噪声水平,我们说悄悄话时也能达到这样的响度。一般人可能不会在意这样的声音,但比较敏感的人就很难容忍了,尤其是在他们需要睡眠的时候,这可能让他们很烦躁。在淘宝上能搜索到很多声压计量产品,即使这些产品做得非常专业,它们能够测量的声压下限也是 30dB,大概是因为能够引起大多数人注意的声压范围下限就在这儿了,测量再低的数据对很多人来说已经没有什么必要。我们都知道日本人对产品缺陷是很挑剔的,为了让产品更安静,他们找到了立锜,立锜提供了一套全新的直流无刷电机驱动解决方案(核心型号为 RT7075),直接替换原有方案以后,空气净化器的噪音水平便降到了最高 25dBA 以下,下图就是前后测试数据的对比图:
 
   数据中的橙色部分是采用最初的电机驱动方案时测得的,该方案由一家日本 IC 厂商提供;蓝色部分是采用立锜方案以后测得的,它几乎在所有转速情况下都比原有方案表现得更好。实际的测试是在声学实验室里进行的,所有的外来干扰都被屏蔽掉了,这样就保证了测试结果的客观性。立锜方案使机器的最高噪声一下子降低了 10dB 以上,这便是非常明显的改善了,自然得到了客户的认同和采用。
   一台空气净化器的噪声源可能有好几个,一为气道,二为风机叶片,三为电机,在上述的替换中气道、叶片都无变化,剩下的就只有电机了。
想要电机无声运转,转子转动时就不能有任何振动发生,这需要其定子和转子之间的精密配合才能实现。
   立锜科技直流无刷电机驱动方案是以 ARM Cortex-M0 32 位 MCU 为核心的,外围集成了高精度的 ADC、DAC、电流检测器、通讯接口、看门狗定时器和可控制生成正弦电流的 PWM 信号发生器等必要的外围接口,控制系统运行的系统固件就存放在芯片中集成的存储器里,它们是可以反复改写的。
  用户在使用普通的 MCU 时需要自行设计软件代码,可编写电机控制软件对于大多数人来说并不容易,所以立锜销售的电机控制器都是预先写入可用程序了的。这种嵌入式的程序由于固化于芯片中,因而有一个特别的词来对它进行表达,这便是“固件”,所对应的英文单词是 firmware,与 software(软件)、hardware(硬件)恰好形成对照,而这种解释也是我自己推理得出的,不知道软件行业是否也这样进行解释,因为在我从事软件设计的时候还没有固件这一说法,那时只会说“软件”或是“程序”。
   立锜电机控制软件的核心是磁场矢量的控制算法,这在英文里有一个称呼叫 Field Oriented Control,简称 FOC。名称中的 Oriented 是很重要的,它说明要对磁场的方向进行定位,因为电机的转子磁场是不变的,你要驱动它旋转,驱动它的磁场就必须是旋转的,而且两者必须同步,否则就会发生不必要的抖动,甚至可能出现逆转等现象。下面的动图是我从网上淘来的,从中可以看出转子磁场是如何旋转的,该磁场和定子线圈之间的关系也可以看出来:

    当三个定子线圈中分别通过不同的电流时,它们也分别生成了一个特定的磁场,而这些磁场合成起来的磁场就成了驱动转子磁场运动的因素,它通过转子磁场将作用力施加在转子上,转子也就在这样的力的作用下有了特定的运动。将这些磁场分别用矢量来表达,就有了下面的动图可以用来做参考,需要说明的是这个图也是从网上淘来的,我得在这里对它们的制作者表达感谢。
   
   只要最后合成的矢量总是以相同的速度在一个圆周上匀速运动,转子的转动就是平稳无抖动的,因而也不会有抖动噪声出现,这时候流过各个线圈的电流的波形就是一个典型的正弦信号的样子。从某种意义上可以这样说,判断一个电机驱动器性能如何的方法就是测量其电流波形,它越接近正弦,则它的性能越好,反之则很难这样去想了。测量立锜直流无刷电机驱动器获得的电流波形是这样的:
   
   由于获得低频正弦波相对较难,所以这个波形是在电机转速为 150rpm 时进行的,这样也能让你知道在这件事情上立锜人做得确实不错。而在相同条件下对其他品牌的电机驱动器进行测量,得到的波形就没有这么美观了,下面的两幅图形就是这样得来的。 
  

     由于不稳定的驱动带来的振动会直接在电机轴上表现出来,所以观察电机轴的振动信号也是有意义的。前述的日本厂商就进行了这样的测量,测量所得的振动信号的频谱图如下:

   
   
这是使用立锜方案时的测量结果,振动幅度为 1470mm,而原有方案所导致的振动幅度则达到了 2060mm,相对来说其性能就要差一些,其频谱分布如下图所示:

立锜科技为市场提供的直流无刷电机驱动解决方案由电机控制器、门极驱动器、功率元件等产品以及由电机控制器和门极驱动器集成在一起的二合一产品和将电机控制器、门极驱动器及功率元件都集成在一起的三合一产品组合而成,组成完整的电机控制系统所需要的 PFC 控制器、电源转换器等产品也都齐备,因而可以满足客户在应用上的所有需求。

场景应用图

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产品实体图

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