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如何兼顾节能与高效?InPAC智能相位控制技术给您答案

时间:2019-09-27 作者:东芝半导体与存储产品供稿 阅读:
为了调节相位差,家电和工业设备制造商越来越多地采用变频技术来控制风扇电机以满足需求。然而想要在宽转速范围内实现高效率,需要大量元件用于相位调节,同时还需要引入MCU控制系统,所带来的研发时间与成本增长令人难以满意。

科技发展过程中,不可避免地产生了相应的能源问题,而随着工业、电气化机械等产业的能耗逐渐加大,伴随而来的能源损耗与环境污染问题也日益严重。对于应用广泛的工业设备与家用电器而言,节能与高效成为了首要功能指标。这其中,电机控制器起着至关重要的作用,如何设计更加高效的电机控制器系统成为了一道摆在所有人面前的难题。

传统的无刷直流电机驱动器通过霍尔信号反馈并控制转子位置,而由于电机高速转动以及电机存在阻抗的因素,电机相反向电动势与电机相电流之间存在相位差,导致电机往往不能达到最佳工作效率。为了调节相位差,家电和工业设备制造商越来越多地采用变频技术来控制风扇电机以满足需求。然而想要在宽转速范围内实现高效率,需要大量元件用于相位调节,同时还需要引入MCU控制系统,所带来的研发时间与成本增长令人难以满意。

为了应对这一局面,东芝研发了用于无刷电机的东芝原创电机控制技术——智能相位控制(InPAC)技术,这是一项可轻松实现节能效果的全新电机控制技术。通过应用InPAC智能相位控制技术,可以在保持MCU控制系统效率的同时,大大节省开发时间与成本消耗。

toshiba-inpac-1.JPG

InPAC系统方框图

正如上文中所说,当无刷直流电机以正弦波进行驱动时,由于电机本身存在阻抗的影响,电机转速变化会引起电机电压与电流的相位差,这会导致功耗增加,大大降低电机驱动效率。InPAC智能相位控制技术比较了电流相位(电流信息)和电压相位(霍尔效应信号)之间的关系,并向电机电流控制信号提供反馈,用户通过初始设置便可以轻松地对相位差进行自动调节,在整个工作转速范围内实现最大的工作效率。最大程度上优化了传统电机产品相位差调节的复杂流程,大大降低了客户在研发过程中的负担。

toshiba-inpac-2.JPG              传统电机控制技术                                                         InPAC智能相位控制技术

那么,InPAC智能相位控制技术优势如何调节无刷电机的电流与电压之间的相位差的呢?这里就需要提及InPAC的一大技术特点:全新的自动导程角控制技术。

当电机控制器/驱动器具备传统的自动导程角控制功能时,虽然可以基于霍尔传感器所发送的转子位置信息来通过实际设备调整导程角。但当电机常数、转速和其他因素发生变化时,还需要而对导程角进行实时调整。

InPAC技术在检测到电机电流相位信息后,将反馈该信息用于自动导程角控制。当比较器检测零交叉电机电流时,可以生成零交叉电流信号,自动调节导程角可以使零交叉霍尔信号匹配零交叉电流信号。当电机应用具有传感器时,霍尔信号的相位将自动进行调整以匹配电机驱动电流的相位。与传统的固定导程角控制拘束不同,InPAC技术不论电机的转速、负载扭矩和电源电压是多少,都可以做到提高电机的工作效率,消除了根据电机的操作状态变化而进行编程的需求。同时,InPAC技术还做到了大大减少导程角控制所需要的外部组件数量。

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举例而言,当电机转速处于3000pm时,相比传统的固定导程角控制,InPAC可以降低电源电流约10%左右(根据东芝的测量基准)。

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不同转速条件下的固定导程角模式与InPAC模式的对比
(LA:Lowest Supply Current,电源电流)

 为了满足新的需求,东芝开发了InPAC,以应对不断加快的社会和技术趋势。InPAC无需复杂调整即可使用。东芝提供采用InPAC的各种无刷直流电机驱动控制器的产品组合以满足不同需求。

东芝推出了两款应用自动相位调节功能InPAC技术的三相无刷电机控制器IC,分别是 “TC78B041FNG”和“TC78B042FTG”两款产品。在东芝InPAC技术的加持下,两款产品可以在宽转速得范围下驱动电机的同时还保持了媲美MCU控制系统的效率,通过简单地霍尔信号和输出电流相位调节,以实现高效率驱动。在封装方面,TC78B042FTG采用VQFN32(5mm×5mm×1mm)封装,便于在有限空间内安装。也提供常见的SSOP30封装的TC78B041FNG。在应用层面,这两款三相无刷电机控制器凭借其低噪音低震动以及小封装等特点,被广泛应用于空调、空气净化器等家用电器及工业设备上。

 本文为《电子技术设计》2019年10月刊杂志文章。

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