目前工具市场主要包括电动工具和园林工具两大类,其中电动工具包括枪钻、电锤、角磨机、电扳手等,园林工具则包括割草机、打草机、吹草机、电动剪刀等应用。
在控制方案方面,目前市面上主要采用的是无感方波控制,部分产品会用无感FOC控制。
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现在详细介绍凌鸥的一款BLDC方案的特点:
首先,该方案是基于磁饱和效应法的静态初始位置检测,启动时无噪音,定位准确度高,非常适合电动工具这种凸极率比较高的电机。
其次,采用ADC模式加CMP模式的双模式控制方式,低速时使用ADC模式,高速时使用CMP模式,可以实现更好的控制效果。
另外,这些方案算法支持大转矩启动,并且低速长时间堵转时能够保持位置不丢失,媲美有感的产品。此外,针对低速稳定运行的需求,凌鸥进行了特殊处理,使电机在低速运行时更加稳定。
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在硬件电路设计方面,凌鸥的BLDC方案内部集成了两路比较器,通常情况下一路用于过零点检测,另一路可以用于硬件过流。比较器内部集成了虚拟中心点,可以节省外部虚拟中性点电路。
此外,芯片的某些端口同时集成了ADC功能和比较器功能,支持ADC模式和比较器模式的灵活切换,这样不仅节省了外部电路,也提高了系统的整体性能和稳定性。
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内部集成可编程运算放大器,不需要外部偏置电路,可以直接读取电流信号。
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由上图看出,硬件设计非常简洁,因为内部集成了多种功能模块,比如自举二极管、反电动势采样电阻,5V LDO等,这使得布板更加简单,同时也节省了BOM成本。
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关于BLDC控制算法,凌鸥采用六脉冲定位算法进行初始位置检测,这种方式无噪音且启动成功率较高。定位后,可直接进入闭环启动,支持大转矩启动。
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在低速情况下,插入180度反向脉冲来抵消部分正转时的扭矩,从而实现超低速稳定运行功能。
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支持长时间堵转不丢失转子位置信息,而且堵转无噪音,效果媲美有霍尔。
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此外,采用低速ADC模式运行,在超过设定转速门限后可以切换到比较器模式,实现无缝切换。
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在比较器模式下,电转速可达到15万转以上,支持电机超高速运行,能通过软件调整超前角度,特殊的消隐处理使过零点判断更准确。控制方面做了顺风起、软硬刹车、速度环、电流环等功能,适用于多个领域的应用。
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上图是一款方波+FOC方案,在相同硬件上,可以实现方波和正弦波双模式运行,低速时使用方波以提高启动成功率和扭矩,高速时使用正弦波运行可以减小噪音和转矩波动。
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无感FOC方案目前主要用于部分打草机和割草机的应用上,目前已实现稳定量产。该算法启动成功率高,电机在堵转时能持续输出扭矩并且不反转,观测器的收敛速度更快,启动时间更短。此外,方案使用MOS内阻采样,显著节省了两个到三个采样电阻,符合园林工具对成本的要求。
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