专用IC简化BLDC电机控制

从手机中的小型振动电机到家用洗衣机、空调中的复杂电机，电机已成为消费领域的必备品。电机也是工业领域不可或缺的一部分，各个领域都需要电机来带动风扇和水泵以及其他机械设备。所有这些电机的能源消耗是非常巨大的：研究表明，仅在中国，电机耗能就占整个工业耗能的60%～70%，风扇和水泵约占中国整体能源消耗的四分之一。尽管这个数字在其他国家可能没那么高，但减少电子系统中的电机能耗已成为全球的当务之急。

传统的交流（AC）电机已广泛使用了一个多世纪，是设计最为简单的感应电机，但它们却浪费了大量能源。这是因为它们只能输出一个恒定速度，不能根据工作环境的改变而自行调整。有一些简单的方法可以调整交流电机的速度（例如，标准家用风扇可提供3种速度以供选择），但这些方法的调整范围有限而且难以转移到更复杂的系统中。

在直流（DC）电机中，可以通过改变电压来改变和控制速度，可根据应用需要加快或减慢速度。这可以节省相当可观的能源，因为电机只需要根据情况需求运行。一般来说，直流电机比交流电机更为高效。

bldc电机的优势

直流电机可设计成有刷电机或无刷电机。无刷直流电机（BLDC）通常是大多数应用的最佳选择。它们更可靠、更安静，产生的电磁辐射更少，而且速度更快，因为取消了与毛电刷相关联的火花塞和换向器。BLDC电机也更小更高效，这意味着它们消耗的能源会更少。

BLDC电机的运行温度低于交流电机，更为高效的设计使得内部零件产生的热量更少。这不但增加了轴承系统的使用寿命，也提高了电子系统和风机的可靠性。

BLDC电机的功率密度也高于交流电机。同样的能量输出，直流电机的体积和重量都小于交流电机。这使得BLDC电机的运输和安装更容易且更便宜。

但是，使用BLDC电机的缺点是系统需要更为复杂的电子设备来管理电机。这样，电机控制便不一定是电机工程师的重点领域，很多缺乏经验或专业知识的开发人员都能轻松设计必要的控制电路。BLDC电机的研发需要额外时间和技术支持，这意味着需要更长的开发周期，同时也增加了开发成本，因此，系统制造商很难放弃交流电机。

然而，随着制造商的增多，使用BLDC电机的复杂性并不会随节能电器需求的日益增加而完全抵消。根据2011 IMS调查显示，大约40%的中国空调采用了BLDC电机和变频控制技术。这似乎是一个充满动力的发展趋势，某种程度上得益于为BLDC电机控制设计的专用电路。

针对高级BLDC功能的无传感器FOC

控制BLDC电机的传统方法需要一个六步流程来推动定子产生转矩脉动。这个所谓的“六步方波”流程使用霍尔效应传感器来探测BLDC电机中永磁体的位置。

这个六步过程相对比较简单，但是容易出现噪声问题，对需要快速改变电机速度以应对不断变化的环境的更高级应用无法做出足够的相应。以洗衣机为例，负载随着所选洗涤周期的不同而改变，而且在整个周期中也不断变化。在前置式洗衣机中情况更为复杂，当衣服旋转到滚筒顶部时，重力将阻碍电机运行。

在这些情况下，需要一个更为高级的算法。磁场定向控制（FOC）提供快速改变所需的响应时间，已成为当今诸多高级节能电器选择的电机控制方法。

实现FOC有许多不同的方法。一种方法是使用传感器（这个方法类似于六步方波法），但是传感器很难安装和维护，特别是在应用涉及到复杂的线束或电机要暴露在水中时。实现FOC更为简单和经济的方法是取消传感器。无传感器FOC包括一个由转子上的永久磁铁产生的定速转子磁场，这是一个非常有效的控制方法。

FOC方法使得电机可以实现全速范围顺畅运行，能够以零转速产生最大扭距，并能迅速加速或减速。事实上，无传感器FOC的众多优势使得它成为许多应用领域的首选，由于电机尺寸较小，所以成本和能耗都比较少。

尽管如此，实现无传感器FOC需要复杂的数学算法，这对于大多数设计师来说可能并不太熟悉。过去，设计师一般依赖复杂的数字信号处理（DSP）芯片来实现无传感器FOC。飞兆半导体FCM8531为设计师提供了一个专用的解决方案，使得无传感器FOC应用程序的开发变得更为简单。

特定应用解决方案

对于那些采用无传感器磁场定向控制（FOC）的系统，飞兆半导体提供一个带有并行核心处理器的特定应用控制设备FCM8531。如图1所示，FCM8531由一个高级电机控制器（AMC）处理器和一个8位80C51兼容的MCU处理器组成。

AMC是专为电机控制设计的核心处理器。它集成可配置的处理核心及电路，执行无传感器的FOC电机控制。可通过嵌入式80C51对系统控制、用户界面、通信接口和输入/输出接口编写程序，实现不同的电机应用。

FCM8531并行核心处理器的优点是，这两个处理器可独立工作且相互补充。AMC处理电机控制的专有任务，如电机控制算法、PWM控制、电流感测、实时过流保护、电机角度计算。嵌入式MCU通过通信接口向AMC提供电机控制命令，以便执行电机控制活动。因为复杂的电机控制算法在AMC中执行，所以这种方法可减小软件负担，并简化控制系统程序。飞兆半导体提供电机控制开发系统（MCDS）IDE和MCDS编程工具包，以便用户开发软件、编译程序及进行在线测试。从参数库中进行选择，设计师可快速编译流程控制功能和通信协议，达到之前只有使用高级DSP才能获得的效果。

结论

将家用电器和工业设备从传统交流电机过渡到更小更高效的BLDC电机，从能源消耗角度来说更具深远意义，但是设计BLDC控制算法的复杂性足以使工程师临阵退缩。针对BLDC电机控制的专用ic（如飞兆半导体FCM8531）使开发人员可以更加轻松地使用BLDC，同时也有助于加速向更为高效的模式过渡。