如何快速实现高效传动系统

　　发展节能的潜力巨大，随之而来的是CO2减排，德国政府计划到2020年将1990年的CO2排放数字减少高达40%.这里重点列出两个主要方法：开发可再生能源和制定节能措施。优化能效从而节约能源在很大程度上可以通过电机传动技术实现。本文将对借助特殊运动控制器件轻松实现高效传动系统进行叙述。

　　高舒适度需求和先进自动化意味着，我们生活在能源需求不断增加的世界中。据国际能源机构（IEA）称，到2035年，全世界能源需求将提高1/3.欧洲立法机构坚信，必须通过法规和法令来加快思维过程的转变。这意味着，政治日益发展成创新和技术的驱动力，并终驱动经济和劳动力市场。

　　生态设计法令首先从产品开始，这将产生快速而重大的影响。这些产品与能耗息息相关，在市场上数量巨大（每年市场容量超过200,000），对环境有显著影响，同时，在不会产生过高成本的情况下，对改善环境的可持续性发展也具有相当大的潜力。

　　电力驱动技术的优化潜力

　　今天，整个欧洲的电力驱动系统每年消耗约800TWh（800,000,000,000kWh）。该数量有69%是工业能源的总消耗量（例如：泵、风机、压缩空气或冷却空气压缩机），针对特殊加工方法的输送机驱动设备或电动机驱动设备。

　　提高设备和驱动系统的效率会对能源消耗产生重大影响。效率显然也是一个经济可行性问题，因为长期来说，较高的投资成本必会得到回报。但归根结底，对大多数应用而言，综合考虑10年以上使用寿命的购置成本、维护成本和能源成本，能源成本显然是主导因素。

　　在低性能领域，可在家用和工业的风机、压缩机和泵中可以找到各种小型电机传动设备。

　　ErP法令废除了效率为30%的罩极电机，为新一代电机铺平了道路。这主要是指永磁同步电机（PMSM）或无刷直流电机（BLDC），虽然确实需要电子换相（例如通过变频器），但其结构紧凑，仍然具有高转矩。根据工作点的不同，这些系统可以达到80%或者更高的效率。这意味着，根据使用技术的不同，电机驱动设备可以实现40~70%的能量节约，从而节省成本。

　　然而，小于200W级别的小型驱动设备的投资成本特别高。为了设计一个有效的解决方案，电子产品中需要集成多个器件来实现所需的功能。这会将小型驱动设备转换为复杂的系统，对某些产品开发人员而言，将它们进行集成并不容易。

　　在没有困难或无需获得更深入知识的情况下，为了能够在很短的开发期内迅速制造调速电机传动系统，飞兆半导体公司（Fairchild）推出了新系列的产品，使每个开发人员能够设计简单的PMSM或BLDC应用。

　　前两个模块（FCM8201和FCM8202）将必要的功能集成在一起，以涵盖不同应用。例如，它们同时支持正弦空间矢量调制（SVM）和方波调制。这些器件的特殊功能在于它们可以通过SPI串行接口实现独立和扩展的解决方案。在独立模式下，可以使用纯模拟技术对应用和开关装置进行模块化开发而无需用到软件或微控制器。专注于单个功能之前，让我们先看看电动机驱动系统的基本原理（图1）。

图1:典型电机驱动系统的方块图。

　　整流器和PFC:直流电压需由交流电压产生。这需要使用具有下行缓冲能力的简单桥式整流器。同时，还需要附加额外的PFC（功率因数校正）级来满足特殊需求，以保证正弦电流输入和稳定的直流母线电流。

　　电机驱动：单相电机需要两个半桥电路，或者三相电机需要三个半桥电路。这些设计根据电机性能，使用MOSFET或IGBT作为功率开关器件。市场上有众多的将驱动器和保护电路集成为紧凑模块的制造商，这意味着一个控制器可以直接解决功率模块问题。飞兆半导体提供在50W到5kW之间不同规格和性能级别的所谓的SPM智能功率模块。电气隔离系统有时也被制造，功率开关通常使用光耦合驱动器（如FOD31xx系列）进行控制。

　　驱动控制：系统驱动控制装置通常采用不同的技术方法。根据系统提供的性能、通信能力或成本，可以使用不同的解决方案。市场上有提供微控制器、基于DSP的系统、可编程逻辑系统或混合解决方案。

　　DC/DC转换器：系统中通常至少需要一个超低电压。这由辅助电源组（DC/DC转换器）提供。隔离电源经常使用隔离变压器。降压拓扑电路较为简单且没有电气隔离。

　　需要由辅助电压实现的规格，设计紧凑、成本低、抗干扰性强且通常静态电流消耗低。

　　紧凑解决方案

　　安装所有半导体的印刷电路板通常不能太大，因为该系统往往集成在电机或系统外罩内。因此，电路的紧凑程度是一个相关因素。另外，虽然FCM8201器件中已经集成了许多功能，但开发人员仍然希望能够改变参数，使系统可以在理想的工作点运行。例如，内部时钟发生器无需外部时钟或石英器件。频率的变化仍然可以使用简单的小电阻实现。

　　可以在图2中看到处于"模拟模式"的应用电路。整个开关装置只需通过几个器件即可实现，包括过电压、过电流和过热保护机制。如果设定值通过SPI发送到控制器，则可以省去其他器件。然而，这需要一个外部控制器，由此产生以下问题：FCM器件实际上是否还有意义？

图2:FCM8201中的独立模式电路。

　　具体来说它确实有意义，因为FCM控制器使集成的微控制器摆脱了某些性能需求并重新安排了该功能。根据所用微控制器的功能，这可以省去采用下一个器件的步骤。

　　块换相（方波驱动）

　　操作BLDC电机简单的方法是使用块换相。这会产生具有120°相位移的脉冲群，从而以6步在电机中产生旋转磁场（见图3）。为简单起见，此处仅显示一个旋转方向。该方法不适用于PMSM电机。另一方面，BLDC电机的设计使得，即使轴线上的逐步励磁和转矩脉动保持在适度水平，仍然能够实现真正的平滑运动。电机中的极数越多，运行便越平滑。

图3:块换相信号特性。

　　图4显示了旋转的6个步骤。U、V和W是来自3相桥高压侧功率开关的控制信号，而X、Y和Z是相应的低压侧功率开关的控制信号。图形上方可以看到来自霍尔传感器的逻辑信号，它们向控制器提供转子的位置信息。高频脉宽调制（PWM）信号施加到U、V和W相上，使电机绕组产生可变可调的电流。脉冲束的长度和由此形成的周期性序列的持续时间形成变频器的源频率并进而形成电机的工作频率。

图4:绕组中的电流流向。

　　电动机具有电感性负载特性，这是为什么在PWM状态下，半桥相互进行逆向切换，以产生低损耗、自由续流回路的原因所在（同步整流功能）。状态之间的延迟可以进行调整。同时，也可以关闭同步整流功能，因此，仅高压侧开关执行PWM,而相应的低压侧开关则保持关闭状态。在这种情况下，空载运行通过与电源开关并联的二极管发生。

　　低压侧开关在PWM脉冲束的中间切换，从而产生短暂的负电流供电机进行能量回收，进而释放更高的EMV.这将通过优化块换相（图5）进行抑制，从而脉冲束被分为两个范围，每个为60°。在60°后，调制切换到分配的低压侧开关，同时，相应的高压侧开关保持恒定的信号流。该方法称为使用FCM控制器的"PWM-ON".

图5:优化的块换相的信号特性。

　　正弦PWM驱动

　　这里的目的是通过电机绕组产生正弦电流，以便更平滑地操作PMSM电机。这对噪声敏感的应用特别重要，例如供热系统中的循环泵或生活和办公区域内的风机系统。相应的控制信号使用空间矢量调制产生。应通过在规定时间内切换6个功率器件的8个不同开关状态，在转子和定子之间形成旋转的恒定磁通。整个系统通常集成在控制电路中。这里不再深入研究空间矢量调制理论。

　　可以使用脉宽调制生成正弦曲线。初始交流电压的幅值等于直流母线电流的一半。得到的有效值为：Veff=Vdc/（2√2）。对于没有PFC的系统，输入电压中的波动对直流母线有直接影响。这终会地弱化电机的控制能力。

　　获得正弦电机电流并同时提高电机可控性的一种方法是叠加三次谐波（三次谐波注入）。如图6所示，三次谐波被叠加到正弦波上，形成一条包含约大15%电压时间面积的曲线。所得三次谐波由电机的已有120°相移抵消，在电机上产生一条正弦电流曲线。该方法已集成在FCM控制器中。开关信号显示在图7中。蓝色包络线表示叠加的正弦曲线和内部PWM比较器相应反信号的三角脉冲。

图6:基波、三次谐波和叠加波形图。

图7:具有正弦PWM的信号曲线。

　　所得的3相和6个电源开关的控制信号显示在图形下方。这里需要注意的是，控制器始终使用块换相启动连接的电机直至信号条件稳定。只有这样才可以切换到正弦PWM.

　　相移和校正

　　因为电机绕组表现为电感性负载，所以相电压在θ角时将形成相电流。负载越大，作用越强。相互关系如图8所示。从上到下，霍尔信号返回转子的位置。其下的绿色曲线是反电压（反电动势），它由永磁体经过绕组引起的感应现象所产生。该反电压也反映了发动机的转子位置。如果相电流与相移出现在反电压上，进而出现在理想的转子位置上，则效率将明显恶化。因此，有必要确定并校正相移，以使曲线与图8底部的图案相对应。

图8:正弦PWM的相移。

　　FCM820x允许通过使用SPI将该校正值写入内部寄存器或者使用外部控制电压，将其设置为高达60°。表明电机和负载相关校正的相应应用电路也可以获得。

　　FCM8201的其他功能

　　各个功能块可以在FCM8201的方块图中看到（图9）。前文已经讨论了几点相互关系，要了解全局则需要提及以下几点：

　　从Vpp=10~15V的工作电压产生5V额外辅助电压的集成电压调节器；在15kHz和30kHz之间可调节调制频率的时钟发生器；可轻松实现转矩环路控制电路的集成误差放大器；各种过电流保护机制：循环、短路、过载；各种电压传感器：针对Vpp的UVLO和OVLO,直流环节传感器；其他监控职能：使用外部NTC、霍尔信号失效以及看门狗功能会过度加热，因此，某些错误事件可以配置为"锁定"状态；提供数字集体错误输出，以及针对数字电机频率的转数脉冲输出。

　　FCM8201和FCM8202这两个控制器的不同在于，FCM8202设计为仅在单机模式下使用，而FCM8201还可以通过串行接口进行配置，并且能够在两种模式下工作。

图9:FCM8201的方块图。

　　本文小结

　　FCM8201和FCM8202控制器向设计者提供了易于学习的器件并集成了许多实用功能。这些功能可以用来快速实现高效节能的电机驱动解决方案，以满足未来的需求。同时，针对开发项目支持，提供了各种应用材料。FCM控制器系列将会扩展，例如，用于制造无传感器的电机传动系统（即不带霍尔传感器）。