【導讀】根據(jù)《世界能源關鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計》的調查分析，工業(yè)領域約占全球電力消耗的40%以上。其中，約有70%的能耗來自電機。在全球范圍內，數(shù)以千萬計的電機正運行于機械、風扇、泵、壓縮機、傳送帶等設備中，這些電機約占全球電力消耗的28%。
根據(jù)《世界能源關鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計》的調查分析，工業(yè)領域約占全球電力消耗的40%以上。其中，約有70%的能耗來自電機。在全球范圍內，數(shù)以千萬計的電機正運行于機械、風扇、泵、壓縮機、傳送帶等設備中，這些電機約占全球電力消耗的28%。而每年還有數(shù)百萬臺新電機被安裝在世界各地的工廠、辦公室和其他工作場所。歐盟委員會的一項研究表明，到2030年，僅工業(yè)電機的全球節(jié)能潛力就達13286太瓦時，相當于11.4億噸油當量，僅次于采暖應用。由此可以看出，為這些運行在世界各地的電機找一個好“管家”，選擇一款合適的驅動和控制IC，是多么的重要！
電機驅動和電機控制器的產品分類
在尋找合適的電機驅動和控制IC之前，我們首先要做這樣一件事，那就是項目中你打算使用哪種類型的電機。
按產品類別劃分，目前的電機類型主要包括有刷直流電機（BDC）、無刷直流電機（BLDC）、永磁同步電機（PMSM）、交流感應電機（ACIM）、步進電機（Stepper）、開關磁阻電機（SRM）等6種。其中，有刷直流電機、無刷直流電機和步進電機是最常用的3種電機類型。根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，有刷直流電機的使用率相對較高，約占整個電機市場一半左右的份額。無刷直流電機的需求量近幾年開始出現(xiàn)一定的增長，市場分析機構FMI預測，2018年至2027年間，無刷直流電機對電機驅動IC的需求預計將創(chuàng)造6.177億美元的增量機會。
有刷直流電機是三種電機中最簡單的一種，具有啟動響應速度快、扭矩大、變速平穩(wěn)、控制精度高以及使用成本低等特點，在玩具和其他對成本敏感的應用中最常見。最近幾年，有刷直流電機也開始進入家用電器領域，比如電動百葉窗和電動門鎖中都有它的身影?？刂朴兴⒅绷麟姍C相對簡單，只需改變施加在電機上的平均電壓就能改變它的速度，也可以通過H橋和微控制器（MCU）來實現(xiàn)。
無刷直流電機可以看做是永磁同步電機的一種，在機械上比有刷直流電機簡單，通常轉子上有永磁體，定子上有繞組。它克服了有刷直流電機的先天性缺陷，以電子換向器取代了機械換向器，因此，無刷直流電機既有直流電機良好的調速性能，又有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點，非常適用于計算機風扇、工業(yè)設備等場合。然而，它們在工作中需要精確的控制，以實現(xiàn)更高的效率。
永磁同步電機PMSM通常用于高性能和高效電機驅動。PMSM電機與BLDC電機本質上區(qū)別不大，在現(xiàn)代各種電機應用中，兩者之間有時可以互相替換。在TI 的官網(wǎng)中就有這樣一段話：利用我們的BLDC電機驅動器產品系列，能最大限度地提高三相無刷電機和永磁同步電機（PMSM）的性能。
交流感應電機ACIM結構簡單、可靠，而且可從AC線路電壓中直接操作，在消費電子類應用和工業(yè)應用中頗受歡迎。
步進電機又稱為脈沖電機，只有周期性的誤差而無累積誤差這一特點，使得步進電機在數(shù)字控制系統(tǒng)中有著廣泛應用，尤其是那些需要高精度角運動的設計，例如臺式打印機、3D打印機、安全攝像頭、相機鏡頭、醫(yī)療掃描儀、智能照明和數(shù)控銑床等。
步進電機是通過控制脈沖寬度、占空比或輸入脈沖周期來管理的。步進電機控制的挑戰(zhàn)在于避免失速，失速可引起電機或電子元件的損壞。如果在過載或快速變速過程中失去同步，而驅動器仍在全力工作時，電機就會失速。因此，在設計中應考慮要有足夠的電流裕度以防止突然的大轉矩變化。
開關磁阻電機SRM是一種新型調速電機，是繼變頻調速系統(tǒng)、無刷直流電動機調速系統(tǒng)后的新一代調速系統(tǒng)。它的結構簡單堅固，調速范圍寬，系統(tǒng)可靠性高。
電機控制和驅動IC市場前景可期
我們常說的電機驅動其實包含兩層含義，一是控制，二是驅動。電機控制器是一種新型的集成電路（IC），在為多相電機（如無刷直流電機和三相交流感應電機）構建高性能電機驅動器的同時，可以節(jié)省大量的工程費用。這些控制器專為滿足低成本、變速和三相交流電機控制系統(tǒng)的要求而設計，比如低功率HVAC電機、商業(yè)洗衣機和洗碗機、過程控制、泵和風扇等。
按行業(yè)劃分，全球電機控制IC市場分為汽車、樓宇控制、工業(yè)自動化、消費電子、醫(yī)療保健等。機器人領域對電機控制芯片需求的增長是推動工業(yè)自動化行業(yè)電機控制IC市場的主要因素之一。汽車工業(yè)的發(fā)展是支撐全球電機控制IC增長的另一支有生力量。此外，電機控制IC在消費電子產品中有著廣泛的應用，這也將是推動電機控制IC市場增長的關鍵因素之一。
根據(jù)權威分析機構FMI的預測，到2027年，全球電機控制IC市場的復合年增長率將從2017年的39.05億美元基礎上增長5.0%，相當于擁有63.44億美元的市場潛力，而增長的驅動因素主要來自于醫(yī)療和汽車制造設備中使用的電機控制芯片。
那么，電機驅動器又有什么作用呢？它和電機控制器之間有什么區(qū)別？從電機的工作原理來看，電機驅動器只負責控制驅動電機的功率，而邏輯和數(shù)字控制必須由外部微控制器或微處理器完成，后者就是電機控制器。電機控制器內置所有邏輯電路，可由更高級別的接口（如PWM信號、USB、模擬輸入等）進行控制。在價格上，電機驅動器通常比控制器要低一些?，F(xiàn)在，企業(yè)在提供電機驅動解決方案時，往往將控制部分和驅動部分集成在一起，用戶拿到的就是一個整體的解決方案。
如何為你的項目選擇一個合適的電機控制驅動器？
在消費電子產品、家用電器、計算機和外圍設備、醫(yī)療設備和汽車等領域，只要我們需要連續(xù)運動或精確定位，就離不開電機。上文我們已經(jīng)提到，常用的電機類型有三種，即有刷直流電機、無刷直流電機和步進電機。根據(jù)電機的不同，我們需要尋找的電機控制驅動器解決方案也會有一定差別。
在能源短缺以及全球氣候變暖的雙重壓力下，更高能效、更出色動態(tài)性能和更低運行噪聲，已成為電機驅動設計的必然趨勢。電機驅動系統(tǒng)的整體優(yōu)化是在給定的投資條件下有效實現(xiàn)最高系統(tǒng)效率水平的關鍵途徑，這也是為什么企業(yè)提供的電機驅動方案往往是一個整體的集成方案。
現(xiàn)在，全球排名前十（Top10）的模擬IC供應商幾乎都有電機驅動IC業(yè)務。因此，市場上可供選擇的產品和方案非常多。在IC Insights發(fā)布的一份報告中，在德州儀器（TI）2019年128億美元的IC銷售額中，模擬電路約占80%，業(yè)務來源主要集中在工業(yè)應用（占銷售額的36%）。電機驅動器是TI 重要的產品分支，它提供的電機驅動器不僅簡化了設計，減少了電路板空間，還能有效降低系統(tǒng)成本。從具有簡單控制接口的集成電機驅動器到智能門驅動器和功能安全設備，TI 的產品能幫助系統(tǒng)設計師盡可能地提高電機性能。
在介紹具體的電機驅動方案之前，我們有必要先來看一下在電機驅動方案中常常被提到的H橋是怎么回事，因為H橋是驅動有刷直流電機最常用的方式。圖1是H橋的工作原理圖，它使用兩對晶體管（通常是MOSFET）來控制電流流過電機的方向。通過改變電流的方向，電機的旋轉方向就會改變。憑借廣泛的電壓范圍和多種結構，包括單H橋和多H橋驅動器，我們就會得到適用于各種工業(yè)、個人電子和汽車應用的有刷直流電機驅動器方案。綜合來看，有刷直流電機的控制是最簡單的，沒有時間或協(xié)議的要求。而步進電機和無刷直流電機都需要特定類型的信號來控制。
圖1：H橋工作原理圖（圖片來自https://core-electronics.com.au）
TI DRV8x系列電機驅動器可對有刷和無刷電機、步進電機或其他電子機械傳動器等電磁設備進行驅動。借助TI DRV8x系列集成電機驅動器，設計人員可快速、輕松地實現(xiàn)電機的驅動，縮短上市時間，并極大地簡化設計。通過集成柵極驅動電路、感應放大器、保護裝置、FETS、工業(yè)標準控制接口，并采用驅動算法，便可大幅改善設計復雜度、電路板空間以及電機驅動時間。此外，DRV8x系列還提供過流保護、短路保護、欠壓閉鎖和超溫的內部停機功能。
圖2：簡化的DRV8840工作原理圖（圖片來源：TI DRV8840）
其中，DRV8840專為打印機、掃描儀和其他自動化設備應用提供集成的電機驅動解決方案。該裝置有一個H橋驅動器，用于驅動一個有刷直流電機。DRV8828可以從8.2V到45V的單電源供電，提供高達5A的峰值或3.5A的輸出電流（在24V和25°C下適當散熱）。一個簡單的PHASE/ENBL接口可以方便地連接到外部控制器，用于調節(jié)驅動電流的大小。
Maxim公司的電機驅動器MAX14872，有一個正向旋轉的邏輯電平輸入和一個反向旋轉的邏輯電平輸入，以及一個可以用來關閉設備的有效低啟動引腳。
圖3：MAX14872工作原理圖（圖片來源：MAX14872）
圖4是NXP公司的三相無刷直流（BLDC）電機控制參考設計，該方案基于其Kinetis系列MCU，為三相無傳感器BLDC電機控制解決方案提供范例。它采用6步通信流程，包括閉環(huán)速度控制和動態(tài)電機電流限制。集成了全面的模擬功能，為BLDC電機控制應用提供高性能解決方案。
圖4：NXP公司3相無刷直流電機控制方框圖（圖片來源：NXP官網(wǎng)）
意法半導體（ST）的STSPIN電機驅動器系列集成了以極高精度高效驅動電機所需的所有功能，并且包括一個可降低主微控制器負荷的先進運動輪廓生成器，同時通過一套全面的保護和診斷特性確保穩(wěn)固性和可靠性。在廣泛的額定電壓和電流范圍上滿足了有刷直流電機、步進電機和無刷直流電機的要求。
STSPIN820是一款256微步集成電機驅動器，帶步進時鐘和方向接口，集成在一個4 x 4mm的小型QFN封裝中，內含控制邏輯和低RDSon功率級。集成控制器實現(xiàn)PWM電流控制，具有固定的OFF時間和1/256th的微步分辨率。
圖5：STSPIN820過流和短路保護管理原理圖
對步進電機而言，過流和短路保護非常重要。圖5所示的STSPIN820內嵌的保護電路能讓每路電源輸出免受過載和短路的沖擊。當觸發(fā)過電流或短路保護時，功率級將被禁用，開漏MOSFET保持開啟狀態(tài)，直到EN故障輸入降至VRELEASE閾值以下，然后通過外部REN電阻器對CEN電容器進行充電。
結語
現(xiàn)在，電機已經(jīng)遍布在我們生活的每個角落，它們可以在洗衣機、烘干機、冰箱、汽車、風扇、水泵、空調和大量的其他產品中找到。對于這樣一個能耗“大戶”，它們需要盡可能高效地運行以減少能源消耗。因此，從最簡單到最先進的電機控制驅動方案，它們都有共同的特質：性能、可靠性、效率和精度要盡可能的“高”，尺寸、成本和上市時間要盡可能的“低”。如果您正在尋找合適的電機驅動方案，希望本文能為您打開項目的第一扇門。
（來源：電子創(chuàng)新網(wǎng)，貿澤工程師社區(qū)）
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