Texas Instruments (TI) hat die branchenweit ersten bürstenlosen 70-W-DC-Motortreiber (BLDC) mit codefreier, sensorloser trapezförmiger und feldorientierter Steuerung (FOC) beansprucht, die die Konstruktionszeit verkürzt und gleichzeitig die Motorsysteme leiser und kleiner macht. Die Geräte ermöglichen es Ingenieuren, einen BLDC-Motor in weniger als 10 Minuten zu drehen, sagte TI, wodurch Ingenieure, die Industriesysteme wie Haushaltsgeräte und medizinische Anwendungen wie Beatmungsgeräte und CPAP-Geräte entwickeln, monatelange Konstruktionszeit einsparen.
Die Motortreiber beschleunigen die Reaktionszeit des Systems und reduzieren gleichzeitig den Platz auf der Platine dank der integrierten Echtzeitsteuerung und des hohen Integrationsgrads um bis zu 70 %.
Ein großer Teil der weltweit erzeugten Energie wird heute von Motoren verbraucht, daher ist es ein wachsender Bedarf, den Motor leiser zu machen , Vice President und General Manager, Kraftfahrer, Texas Instruments.
Beim Übergang vom Alter gibt es jedoch Herausforderungen Technologie wie AC-Induktionsmotoren bis hin zu relativ neueren Technologien wie BLDC-Motoren und die Erfüllung der Anforderungen zur Erzielung der Energieeffizienz, der akustischen Leistung und der Notwendigkeit der Designer, Produkte schnell auf den Markt zu bringen, fügte er hinzu.
Was heute passiert, ist, dass der Wechsel zu offenen Grundrissen die Nachfrage nach leiseren Motoren erhöht hat, sagte Soundarapandian. Bei offenen Grundrissen gibt es die natürliche Schalldämmung, die Sie früher hatten, nicht mehr, sagte er.
Jedes Gerät in Ihrem Haus hat möglicherweise mehr als einen oder sogar zwei Motoren, sagte Soundarapandian. „Es gibt Möglichkeiten, Geräusche, die von Motoren erzeugt werden, effektiv zu bekämpfen, die in der Regel in drei Bereiche fallen – indem sie eine Art Schallabsorptionssystem in das Gerät einbetten, sie durch psychoakustische Erkenntnisse wie harmonische Modifikationen formen, und persönlich vermeide ich es am liebsten es, indem es von vornherein keinen Lärm erzeugt.“
Zum Beispiel ist der Staubsauger zusammen mit der Küchenmaschine wohl eine der stärksten Geräuschquellen mit durchschnittlichen Geräuschpegeln zwischen 85 und 100 dBA, so dass sie viel Lärm machen, und es ist nicht nur die Akustik, es besteht ein ständiger Bedarf an mehr Energieeffizienz, fügte er hinzu.
Einer der wichtigsten Wege, um Energieeffizienz heutzutage zu erreichen, sei die Abkehr von älteren Technologien wie AC-Induktionsmotoren zu bürstenlosen DC-Motoren, sagte er. „Aber BLDC-Motoren sind schwieriger zu fahren. Sie sind komplexer; Sie benötigen eine bessere Kommutierung und Steuerung von außen, und das erhöht im Wesentlichen die Designzykluszeit, erhöht die Platinengröße, weil sie mehr elektronische Komponenten enthält, und insgesamt steigen die Systemkosten selbst. Dies sind die drei größten Herausforderungen, um dies zu erreichen Effizienzsteigerung.“
Laut Soundarapandian entwickeln sich Motortreiber weiter, um die Marktanforderungen zu erfüllen, und die neuen BLDC-Motortreiber von TI adressieren die drei Herausforderungen des BLDC-Motordesigns – längere Designzykluszeit, mehr Platz auf der Platine und höhere Systemkosten.
Diese beiden Geräte – eines davon basiert auf einem Kommutierungsschema namens FOC oder feldorientierter Steuerung, und das andere basiert auf einer älteren Version von Kommutierungen namens Trapezsteuerung, sagte Soundarapandian.
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Einer der größten Vorteile des neuen Portfolios besteht darin, dass es die Abstimmungszeit durch Echtzeitsteuerung und dynamische Fähigkeiten von Wochen auf weniger als 10 Minuten verkürzt, was sich in einer schnelleren Systemgeschwindigkeitsreaktion niederschlägt. Zur beschleunigten Entwurfszeit tragen auch die Fähigkeiten bei, Motorparameter selbst zu extrahieren und den Stromregelkreis automatisch abzustimmen.
„Vom Standpunkt der akustischen Leistung aus haben wir viele Funktionen integriert. Ich spreche von ein paar Dingen wie der automatischen Totzeitkompensation und einfach von FOC selbst“, sagte er. „Die Art und Weise, wie wir diesen Motor kommutieren und steuern, hat uns im Labor gezeigt, dass wir den Lärm tatsächlich um einen großen Prozentsatz reduzieren können. In diesem speziellen Beispiel sprechen wir von 2 dBA in einem der leisesten Laptops auf dem Markt. Selbst in der Laborumgebung ohne übermäßiges Tuning laufen diese Motoren bereits mit etwa 16 bis 20 Prozent niedriger, aber wir haben im Labor eine IP, die das auf 50 Prozent oder noch mehr reduzieren kann.“
Gleichzeitig könne die Gesamtlösungsgröße um bis zu 70 % kleiner realisiert werden, fügte er hinzu.
„Der Integrationsgrad, den wir im MCF8316 haben, die eingebaute Intelligenz, die Diagnose und die Robustheitsfähigkeiten, dieser Integrationsgrad ermöglicht es uns, diese Art von Größenverbesserung zu erzielen.“
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Die Motortreiber MCF8316A und MCT8316A
Der sensorlose trapezförmige Motortreiber MCF8316A und der sensorlose FOC-Motortreiber MCT8316A integrieren drei Gate-Treiber und sechs High- und Low-Side Mosfets Mit jeweils 50 mΩ Durchlasswiderstand (RDS(on)) sind sie laut TI die ersten BLDC-Motortreiber, die bis zu 70 W Leistung mit 8 A Spitzenstrom für 12- und 24-V-Systeme ermöglichen. Zu den weiteren integrierten Komponenten gehört ein Low-Dropout Regler, DC/DC-Abwärtsregler und Strommessverstärker, wodurch bis zu 18 diskrete integrierte Schaltkreise eingespart werden können.
Der Motortreiber MCT8316A kann eine maximale elektrische Motorgeschwindigkeit von 3.5 kHz erreichen, was schneller ist als jeder andere codefreie, sensorlose Motortreiber, was ihn für Anwendungen wie Roboterstaubsauger geeignet macht, die eine schnelle und präzise Motorsteuerung erfordern, sagte TI.
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TI behauptet auch, dass beide Geräte die ersten in der Branche sind, die eine schnelle und kontrollierte Möglichkeit bieten, einen Motor aktiv zu verzögern, sodass Ingenieure einen Motor 50 Prozent schneller stoppen können als mit herkömmlichen Motorsteuerungstechniken. Sie können auch einen Motor stoppen, ohne Energie zurück in die Schiene zu pumpen, was das System vor Schäden schützt.
„Wir haben einige sehr ausgeklügelte Techniken eingebaut, um eine sehr kontrollierte Verlangsamung durchzuführen, die im Allgemeinen etwa 50 Prozent schneller ist als herkömmliche Steuerungstechniken, und wir glauben, dass dies für Designer in Zukunft sehr nützlich sein wird“, sagte Soundarapandian.
Laut Soundarapandian enthalten die BLDC-Motortreiber MCF8316A und MCT8316A einen einzigartigen Satz von Kommutierungssteuerungsalgorithmen, die die Entwicklung und Qualifizierung von Motorsteuerungssoftware überflüssig machen. Die Algorithmen in Kombination mit einer hohen Integration ermöglichen es diesen Motortreibern, kritische Funktionen wie die Motorfehlererkennung zu verwalten und Schutzmechanismen zu implementieren, um die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen.
Darüber hinaus verwenden die Motortreiber eine sensorlose Technologie zur Bestimmung der Rotorposition, wodurch externe Hall-Sensoren überflüssig werden, was letztendlich die Systemkosten senkt und die Zuverlässigkeit weiter erhöht.
Wie von Soundarapandian angemerkt, extrahiert der Motortreiber MCF8316A Motorparameter intelligent oder selbstextrahiert, sodass Designer einen Motor schnell abstimmen können. Es trägt auch dazu bei, eine konsistente Systemleistung unabhängig von Abweichungen bei der Motorherstellung zu liefern. Darüber hinaus können Konstrukteure einen Motor mit nur fünf Hardware-Pins abstimmen, wodurch Systeme vereinfacht werden, da keine Mikrocontroller-Schnittstelle erforderlich ist.
Beide BLDC-Motortreiber bieten erweiterte Echtzeit-Steuerungsfunktionen für eine verbesserte akustische Leistung in Anwendungen wie Luftreinigern, Kühlschränken, Waschmaschinen und Ventilatoren. Der MCF8316A umfasst eine präzise automatische Totzeitkompensationstechnik, die Stromverzerrungen kompensiert, um es Ingenieuren zu ermöglichen, die akustische Motorleistung zu optimieren, und eine variable trapezförmige Steuertechnik, mit der Designer das Motorgeräusch reduzieren können.
Vorserienversionen des MCF8316A und MCT8316A sind exklusiv auf TI.com in einem 40-Pin, 5 × mm Quad-Flat-No-Lead-Gehäuse erhältlich. Die Preise beginnen bei 1.75 USD in Mengen von 1,000. TI wird den MCF8316A und den MCT8316A während der TI Live! Virtuelle Tech Exchange-Veranstaltung, 27.-29. September 2021.
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