家用電器中電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

1.前言

洗衣機(jī)、空調(diào)和冰箱等變頻家用電器通常使用無刷直流電機(jī) (BLDC)。這些電機(jī)因其高效率、低可聞噪音和無級調(diào)速而在家用電器中很受歡迎。

仍然有許多低功率電機(jī)——例如洗衣機(jī)和洗碗機(jī)中的排水泵或空調(diào)和冰箱中的風(fēng)扇——由于驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，BLDC 電機(jī)無法完全取代它們。由于這些電機(jī)的功率通常低于 50W，因此即使對于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師來說，開發(fā) BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也非常耗時(shí)，并且還會延長上市時(shí)間。

2.無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

無刷直流電動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備中。

無刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。

3.可選方案

TI 通過使用高度集成的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器單芯片 IC 幫助我們簡化驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，該 IC 在器件內(nèi)部具有嵌入式專有 180 度無傳感器控制方案。低壓BLDC電機(jī)更適合小功率應(yīng)用而不是高壓應(yīng)用，對于小功率應(yīng)用使用高壓解決方案就像一匹大馬拉著小車。與高壓 BLDC 電機(jī)相比，

· 兼容性。AC/DC 開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器使系統(tǒng)能夠在不同地區(qū)的通用電壓輸入條件 (110/220V AC ) 下運(yùn)行。

· 安全。 超低壓電源簡化了電機(jī)的絕緣設(shè)計(jì)，消除了驅(qū)動(dòng)板絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，降低了觸電風(fēng)險(xiǎn)，特別適用于排水泵所在的高濕環(huán)境。

· 可靠性。 保護(hù)功能包括過流保護(hù)、鎖定檢測、電壓浪涌保護(hù)、欠壓鎖定保護(hù)、熱關(guān)斷保護(hù)和自動(dòng)重啟。較低的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗使電機(jī)更易于控制且效率更高。

· 外形小巧。驅(qū)動(dòng)板可輕松裝入電機(jī)，節(jié)省印刷電路板 (PCB) 空間。（見圖 1 & 2）

· 更好的電磁干擾 (EMI) 性能。EMI 功能使客戶能夠輕松通過 EMI 測試要求。

· 節(jié)約成本。低壓直流鏈路電容器比高壓電容器便宜。無傳感器實(shí)現(xiàn)簡化了電機(jī)組裝；使啟動(dòng)更可靠；并減少線束、霍爾效應(yīng)傳感器和相關(guān)電纜成本。

圖 1：驅(qū)動(dòng)器在外形上的變化

圖 2：電機(jī)在外形上的變化

總體而言，帶有集成小型驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，節(jié)省了研發(fā)時(shí)間并加快了上市時(shí)間。

TI有使用低壓 (24V) BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，而不是高壓（300V 以上）電機(jī)。該參考設(shè)計(jì)提供優(yōu)化的緊湊型 AC/DC 反激電源和具有全面保護(hù)的高度集成正弦 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。圖 3 顯示了系統(tǒng)框圖。

圖 3：系統(tǒng)框圖

該參考設(shè)計(jì)的外形尺寸非常小，可將驅(qū)動(dòng)器板集成到電機(jī)內(nèi)部，并提供改進(jìn)的解決方案。AC/DC 反激電源將 90V 至 265V、50Hz 或 60Hz 的交流輸入轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓的 24V直流輸出，并在高端和低端之間加強(qiáng)隔離，UCC28740 用作 AC/DC 反激控制器。設(shè)計(jì)輸出功率最大為36W。 電源產(chǎn)生的24V DC為DRV10983供電 三相無傳感器 BLDC 電機(jī)控制器，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)并控制電機(jī)速度。對于需要更寬的工作電壓支持和增強(qiáng)的保護(hù)功能的電器設(shè)計(jì)，像 DRV10987 這樣的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可用于 24V 系統(tǒng)以滿足不同的電源要求。我們不必精通 BLDC 技術(shù)，也能完美地開發(fā) BLDC 系統(tǒng)。我們有許多易于使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它們集成了控制邏輯、柵極驅(qū)動(dòng)器和 FET，以幫助最大限度地縮短開發(fā)時(shí)間、節(jié)省成本并減少 PCB 板空間。 

TI 專有的無傳感器控制方案可提供連續(xù)正弦驅(qū)動(dòng)。這種集成的電機(jī)控制顯著降低了通常由于換向而產(chǎn)生的純音。圖 4 顯示了 DRV10983 的驅(qū)動(dòng)波形。

圖 4：驅(qū)動(dòng)波形

如果我們擔(dān)心額外的開關(guān)電源成本，只需將我們之前的開關(guān)電源級別從 5W 或 10W 升級到 35W；成本增加相當(dāng)有限。系統(tǒng)級成本更便宜，因?yàn)楦〉碾姍C(jī)和驅(qū)動(dòng)器 IC 比高壓解決方案更便宜。