發(fā)展節(jié)能的潛力巨大，隨之而來的是CO2減排，德國政府計(jì)劃到2020年將1990年的CO2排放數(shù)字減少高達(dá)40%.這里重點(diǎn)列出兩個(gè)主要方法：開發(fā)可再生能源和制定節(jié)能措施。優(yōu)化能效從而節(jié)約能源在很大程度上可以通過電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。本文將對(duì)借助特殊運(yùn)動(dòng)控制器件輕松實(shí)現(xiàn)高效傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行敘述。

　　高舒適度需求和先進(jìn)自動(dòng)化意味著，我們生活在能源需求不斷增加的世界中。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）稱，到2035年，全世界能源需求將提高1/3.歐洲立法機(jī)構(gòu)堅(jiān)信，必須通過法規(guī)和法令來加快思維過程的轉(zhuǎn)變。這意味著，政治日益發(fā)展成創(chuàng)新和技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力，并終驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)和勞動(dòng)力市場(chǎng)。

　　生態(tài)設(shè)計(jì)法令首先從產(chǎn)品開始，這將產(chǎn)生快速而重大的影響。這些產(chǎn)品與能耗息息相關(guān)，在市場(chǎng)上數(shù)量巨大（每年市場(chǎng)容量超過200,000），對(duì)環(huán)境有顯著影響，同時(shí)，在不會(huì)產(chǎn)生過高成本的情況下，對(duì)改善環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展也具有相當(dāng)大的潛力。

　　電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化潛力

　　今天，整個(gè)歐洲的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)每年消耗約800TWh（800,000,000,000kWh）。該數(shù)量有69%是工業(yè)能源的總消耗量（例如：泵、風(fēng)機(jī)、壓縮空氣或冷卻空氣壓縮機(jī)），針對(duì)特殊加工方法的輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

　　提高設(shè)備和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率會(huì)對(duì)能源消耗產(chǎn)生重大影響。效率顯然也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)可行性問題，因?yàn)殚L(zhǎng)期來說，較高的投資成本必會(huì)得到回報(bào)。但歸根結(jié)底，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，綜合考慮10年以上使用壽命的購置成本、維護(hù)成本和能源成本，能源成本顯然是主導(dǎo)因素。

　　在低性能領(lǐng)域，可在家用和工業(yè)的風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和泵中可以找到各種小型電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備。

　　ErP法令廢除了效率為30%的罩極電機(jī)，為新一代電機(jī)鋪平了道路。這主要是指永磁同步電機(jī)（PMSM）或無刷直流電機(jī)（BLDC），雖然確實(shí)需要電子換相（例如通過變頻器），但其結(jié)構(gòu)緊湊，仍然具有高轉(zhuǎn)矩。根據(jù)工作點(diǎn)的不同，這些系統(tǒng)可以達(dá)到80%或者更高的效率。這意味著，根據(jù)使用技術(shù)的不同，電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)40~70%的能量節(jié)約，從而節(jié)省成本。

　　然而，小于200W級(jí)別的小型驅(qū)動(dòng)設(shè)備的投資成本特別高。為了設(shè)計(jì)一個(gè)有效的解決方案，電子產(chǎn)品中需要集成多個(gè)器件來實(shí)現(xiàn)所需的功能。這會(huì)將小型驅(qū)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)換為復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)某些產(chǎn)品開發(fā)人員而言，將它們進(jìn)行集成并不容易。

　　在沒有困難或無需獲得更深入知識(shí)的情況下，為了能夠在很短的開發(fā)期內(nèi)迅速制造調(diào)速電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，飛兆半導(dǎo)體公司（Fairchild）推出了新系列的產(chǎn)品，使每個(gè)開發(fā)人員能夠設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的PMSM或BLDC應(yīng)用。

　　前兩個(gè)模塊（FCM8201和FCM8202）將必要的功能集成在一起，以涵蓋不同應(yīng)用。例如，它們同時(shí)支持正弦空間矢量調(diào)制（SVM）和方波調(diào)制。這些器件的特殊功能在于它們可以通過SPI串行接口實(shí)現(xiàn)獨(dú)立和擴(kuò)展的解決方案。在獨(dú)立模式下，可以使用純模擬技術(shù)對(duì)應(yīng)用和開關(guān)裝置進(jìn)行模塊化開發(fā)而無需用到軟件或微控制器。專注于單個(gè)功能之前，讓我們先看看電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本原理。

　　整流器和PFC:直流電壓需由交流電壓產(chǎn)生。這需要使用具有下行緩沖能力的簡(jiǎn)單橋式整流器。同時(shí)，還需要附加額外的PFC（功率因數(shù)校正）級(jí)來滿足特殊需求，以保證正弦電流輸入和穩(wěn)定的直流母線電流。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)：?jiǎn)蜗嚯姍C(jī)需要兩個(gè)半橋電路，或者三相電機(jī)需要三個(gè)半橋電路。這些設(shè)計(jì)根據(jù)電機(jī)性能，使用MOSFET或IGBT作為功率開關(guān)器件。市場(chǎng)上有眾多的將驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路集成為緊湊模塊的制造商，這意味著一個(gè)控制器可以直接解決功率模塊問題。飛兆半導(dǎo)體提供在50W到5kW之間不同規(guī)格和性能級(jí)別的所謂的SPM智能功率模塊。電氣隔離系統(tǒng)有時(shí)也被制造，功率開關(guān)通常使用光耦合驅(qū)動(dòng)器（如FOD31xx系列）進(jìn)行控制。

　　驅(qū)動(dòng)控制：系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制裝置通常采用不同的技術(shù)方法。根據(jù)系統(tǒng)提供的性能、通信能力或成本，可以使用不同的解決方案。市場(chǎng)上有提供微控制器、基于DSP的系統(tǒng)、可編程邏輯系統(tǒng)或混合解決方案。

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器：系統(tǒng)中通常至少需要一個(gè)超低電壓。這由輔助電源組（DC/DC轉(zhuǎn)換器）提供。隔離電源經(jīng)常使用隔離變壓器。降壓拓?fù)潆娐份^為簡(jiǎn)單且沒有電氣隔離。

　　需要由輔助電壓實(shí)現(xiàn)的規(guī)格，設(shè)計(jì)緊湊、成本低、抗干擾性強(qiáng)且通常靜態(tài)電流消耗低。

　　緊湊解決方案

　　安裝所有半導(dǎo)體的印刷電路板通常不能太大，因?yàn)樵撓到y(tǒng)往往集成在電機(jī)或系統(tǒng)外罩內(nèi)。因此，電路的緊湊程度是一個(gè)相關(guān)因素。另外，雖然FCM8201器件中已經(jīng)集成了許多功能，但開發(fā)人員仍然希望能夠改變參數(shù)，使系統(tǒng)可以在理想的工作點(diǎn)運(yùn)行。例如，內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器無需外部時(shí)鐘或石英器件。頻率的變化仍然可以使用簡(jiǎn)單的小電阻實(shí)現(xiàn)。

　　可以在看到處于"模擬模式"的應(yīng)用電路。整個(gè)開關(guān)裝置只需通過幾個(gè)器件即可實(shí)現(xiàn)，包括過電壓、過電流和過熱保護(hù)機(jī)制。如果設(shè)定值通過SPI發(fā)送到控制器，則可以省去其他器件。然而，這需要一個(gè)外部控制器，由此產(chǎn)生以下問題：FCM器件實(shí)際上是否還有意義？

　　具體來說它確實(shí)有意義，因?yàn)镕CM控制器使集成的微控制器擺脫了某些性能需求并重新安排了該功能。根據(jù)所用微控制器的功能，這可以省去采用下一個(gè)器件的步驟。

　　塊換相（方波驅(qū)動(dòng)）

　　操作BLDC電機(jī)簡(jiǎn)單的方法是使用塊換相。這會(huì)產(chǎn)生具有120°相位移的脈沖群，從而以6步在電機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。為簡(jiǎn)單起見，此處僅顯示一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。該方法不適用于PMSM電機(jī)。另一方面，BLDC電機(jī)的設(shè)計(jì)使得，即使軸線上的逐步勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)保持在適度水平，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)真正的平滑運(yùn)動(dòng)。電機(jī)中的極數(shù)越多，運(yùn)行便越平滑。

　　顯示了旋轉(zhuǎn)的6個(gè)步驟。U、V和W是來自3相橋高壓側(cè)功率開關(guān)的控制信號(hào)，而X、Y和Z是相應(yīng)的低壓側(cè)功率開關(guān)的控制信號(hào)。上方可以看到來自霍爾傳感器的邏輯信號(hào)，它們向控制器提供轉(zhuǎn)子的位置信息。高頻脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)施加到U、V和W相上，使電機(jī)繞組產(chǎn)生可變可調(diào)的電流。脈沖束的長(zhǎng)度和由此形成的周期性序列的持續(xù)時(shí)間形成變頻器的源頻率并進(jìn)而形成電機(jī)的工作頻率。

　　電動(dòng)機(jī)具有電感性負(fù)載特性，這是為什么在PWM狀態(tài)下，半橋相互進(jìn)行逆向切換，以產(chǎn)生低損耗、自由續(xù)流回路的原因所在（同步整流功能）。狀態(tài)之間的延遲可以進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，也可以關(guān)閉同步整流功能，因此，僅高壓側(cè)開關(guān)執(zhí)行PWM,而相應(yīng)的低壓側(cè)開關(guān)則保持關(guān)閉狀態(tài)。在這種情況下，空載運(yùn)行通過與電源開關(guān)并聯(lián)的二極管發(fā)生。

　　低壓側(cè)開關(guān)在PWM脈沖束的中間切換，從而產(chǎn)生短暫的負(fù)電流供電機(jī)進(jìn)行能量回收，進(jìn)而釋放更高的EMV.這將通過優(yōu)化塊換相進(jìn)行抑制，從而脈沖束被分為兩個(gè)范圍，每個(gè)為60°。在60°后，調(diào)制切換到分配的低壓側(cè)開關(guān)，同時(shí)，相應(yīng)的高壓側(cè)開關(guān)保持恒定的信號(hào)流。該方法稱為使用FCM控制器的"PWM-ON".

　　正弦PWM驅(qū)動(dòng)

　　這里的目的是通過電機(jī)繞組產(chǎn)生正弦電流，以便更平滑地操作PMSM電機(jī)。這對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用特別重要，例如供熱系統(tǒng)中的循環(huán)泵或生活和辦公區(qū)域內(nèi)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。相應(yīng)的控制信號(hào)使用空間矢量調(diào)制產(chǎn)生。應(yīng)通過在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切換6個(gè)功率器件的8個(gè)不同開關(guān)狀態(tài)，在轉(zhuǎn)子和定子之間形成旋轉(zhuǎn)的恒定磁通。整個(gè)系統(tǒng)通常集成在控制電路中。這里不再深入研究空間矢量調(diào)制理論。

　　可以使用脈寬調(diào)制生成正弦曲線。初始交流電壓的幅值等于直流母線電流的一半。得到的有效值為：Veff=Vdc/（2√2）。對(duì)于沒有PFC的系統(tǒng)，輸入電壓中的波動(dòng)對(duì)直流母線有直接影響。這終會(huì)地弱化電機(jī)的控制能力。

　　獲得正弦電機(jī)電流并同時(shí)提高電機(jī)可控性的一種方法是疊加三次諧波（三次諧波注入）。三次諧波被疊加到正弦波上，形成一條包含約大15%電壓時(shí)間面積的曲線。所得三次諧波由電機(jī)的已有120°相移抵消，在電機(jī)上產(chǎn)生一條正弦電流曲線。該方法已集成在FCM控制器中。藍(lán)色包絡(luò)線表示疊加的正弦曲線和內(nèi)部PWM比較器相應(yīng)反信號(hào)的三角脈沖。

　　所得的3相和6個(gè)電源開關(guān)的控制信號(hào)顯示在圖形下方。這里需要注意的是，控制器始終使用塊換相啟動(dòng)連接的電機(jī)直至信號(hào)條件穩(wěn)定。只有這樣才可以切換到正弦PWM.

　　相移和校正

　　因?yàn)殡姍C(jī)繞組表現(xiàn)為電感性負(fù)載，所以相電壓在θ角時(shí)將形成相電流。負(fù)載越大，作用越強(qiáng)。相互關(guān)系如。從上到下，霍爾信號(hào)返回轉(zhuǎn)子的位置。其下的綠色曲線是反電壓（反電動(dòng)勢(shì)），它由永磁體經(jīng)過繞組引起的感應(yīng)現(xiàn)象所產(chǎn)生。該反電壓也反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。如果相電流與相移出現(xiàn)在反電壓上，進(jìn)而出現(xiàn)在理想的轉(zhuǎn)子位置上，則效率將明顯惡化。因此，有必要確定并校正相移，以使曲線與底部的圖案相對(duì)應(yīng)。

　　FCM820x允許通過使用SPI將該校正值寫入內(nèi)部寄存器或者使用外部控制電壓，將其設(shè)置為高達(dá)60°。表明電機(jī)和負(fù)載相關(guān)校正的相應(yīng)應(yīng)用電路也可以獲得。

　　FCM8201的其他功能

　　各個(gè)功能塊可以在FCM8201的方塊圖中看到。前文已經(jīng)討論了幾點(diǎn)相互關(guān)系，要了解全局則需要提及以下幾點(diǎn)：

　　從Vpp=10~15V的工作電壓產(chǎn)生5V額外輔助電壓的集成電壓調(diào)節(jié)器；在15kHz和30kHz之間可調(diào)節(jié)調(diào)制頻率的時(shí)鐘發(fā)生器；可輕松實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩環(huán)路控制電路的集成誤差放大器；各種過電流保護(hù)機(jī)制：循環(huán)、短路、過載；各種電壓傳感器：針對(duì)Vpp的UVLO和OVLO,直流環(huán)節(jié)傳感器；其他監(jiān)控職能：使用外部NTC、霍爾信號(hào)失效以及看門狗功能會(huì)過度加熱，因此，某些錯(cuò)誤事件可以配置為"鎖定"狀態(tài)；提供數(shù)字集體錯(cuò)誤輸出，以及針對(duì)數(shù)字電機(jī)頻率的轉(zhuǎn)數(shù)脈沖輸出。

　　FCM8201和FCM8202這兩個(gè)控制器的不同在于，F(xiàn)CM8202設(shè)計(jì)為僅在單機(jī)模式下使用，而FCM8201還可以通過串行接口進(jìn)行配置，并且能夠在兩種模式下工作。

　　本文小結(jié)

　　FCM8201和FCM8202控制器向設(shè)計(jì)者提供了易于學(xué)習(xí)的器件并集成了許多實(shí)用功能。這些功能可以用來快速實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，以滿足未來的需求。同時(shí)，針對(duì)開發(fā)項(xiàng)目支持，提供了各種應(yīng)用材料。FCM控制器系列將會(huì)擴(kuò)展，例如，用于制造無傳感器的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)（即不帶霍爾傳感器）。