MCx8316x 在掃地機(jī)器人中的應(yīng)用

引言

隨著家電市場(chǎng)的不斷發(fā)展，更多智能化和自動(dòng)化的電器進(jìn)入了人們的生活，尤其是掃地機(jī)器人。在掃地機(jī)器人系統(tǒng)中，目前使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有有刷和無(wú)刷兩種。由于對(duì)掃地機(jī)器人的使用壽命和效率要求變高，越來(lái)越多的客戶(hù)趨向于選擇無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC)。MCx8316x 器件是一款全集成的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（包括控制算法、柵極驅(qū)動(dòng)器和 FET）。本應(yīng)用手冊(cè)討論了如何將 MCx 器件用于掃地機(jī)器人系統(tǒng)中的吸塵電機(jī)、滾刷電機(jī)和拖布電機(jī)，并進(jìn)行了市場(chǎng)分析。

掃地機(jī)器人

雖然掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)因不同供應(yīng)商提供的功能而異，但其中的基本電機(jī)在市場(chǎng)上是通用的。無(wú)刷直流電機(jī)主要應(yīng)用于吸塵電機(jī)、滾刷電機(jī)和拖布電機(jī)。與有刷電機(jī)相比，BLDC 可實(shí)現(xiàn)靜音操作且電機(jī)壽命更長(zhǎng)，因此，一些客戶(hù)在帶有霍爾傳感器的掃地機(jī)器人的輪子中使用 BLDC。MCx 器件具有極富競(jìng)爭(zhēng)力的控制算法。MCx8316x 集成的控制算法以及豐富的控制功能，使得 MCx8316x 可以在不同的電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景中游刃有余。

MCx8316x

三款器件的工作電壓均為 4.5V 至 35V，絕對(duì)最大電壓為 40V，峰值電流為 8A。這些器件的封裝尺寸為 7mm x 5mm，高度為 1mm?？蛻?hù)可根據(jù)其實(shí)施電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的子系統(tǒng)選擇所需的器件。

MCT8316A 和 MCF8316A

MCT8316A 和 MCF8316A 是無(wú)代碼無(wú)傳感器 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。MCT8316A 提供無(wú)代碼無(wú)傳感器梯形控制解決方案，而 MCF8316A 提供無(wú)代碼無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 解決方案。MCF8316A 中的轉(zhuǎn)子位置通過(guò) BEMF 觀測(cè)器進(jìn)行估算，而 MCT8316A 中的轉(zhuǎn)子位置通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零進(jìn)行測(cè)量。梯形解決方案通常適用于需要高速運(yùn)行（電機(jī)頻率高達(dá) 3kHz）和快速啟動(dòng)時(shí)間（小于 50ms）的客戶(hù)應(yīng)用。FOC 解決方案適用于驅(qū)動(dòng)速度受控型的客戶(hù)應(yīng)用，可以降低電機(jī)換向產(chǎn)生的可聞噪聲。

MCT8316Z

MCT8316Z 提供了一個(gè)配有傳感器的單芯片、無(wú)代碼梯形解決方案。MCT8316Z 適用于需要高啟動(dòng)扭矩和精確速度控制的客戶(hù)應(yīng)用。

應(yīng)用

對(duì)于掃地機(jī)器人，可將 MCx8316x 器件用于三個(gè)主要子系統(tǒng)：吸塵電機(jī)、滾刷電機(jī)和拖布電機(jī)。滾刷電機(jī)和拖布電機(jī)如圖 1 所示。吸塵電機(jī)位于掃地機(jī)器人內(nèi)部，在機(jī)器人外部看不到。

吸塵電機(jī)

掃地機(jī)器人的吸塵電機(jī)不斷移動(dòng)并吸走地面的灰塵和碎屑，這意味著電機(jī)會(huì)遇到不同程度的污垢，并且必須在不同的地板類(lèi)型（地毯、硬木或瓷磚）上吸起灰塵和碎屑。因此，強(qiáng)烈建議客戶(hù)使用 MCT8316A 和 MCF8316A。MCF8316A 和 MCT8316A 可以分別實(shí)現(xiàn) 1.5kHz（2 極電機(jī)為 90kRPM）和 3kHz（2 極電機(jī)為 180kRPM）的高速旋轉(zhuǎn)。更高的電機(jī)轉(zhuǎn)速將轉(zhuǎn)化為更強(qiáng)的吸力，可以更輕松地吸起較臟區(qū)域的灰塵和碎屑。兩款器件都具有恒速功能，可以在遇到動(dòng)態(tài)負(fù)載條件時(shí)保持恒速。例如，當(dāng)掃地機(jī)器人從硬木地板移動(dòng)到地毯時(shí)，吸塵電機(jī)可能會(huì)遇到負(fù)載變化的情況。由于器件具有恒速功能，掃地機(jī)器人從硬木地板移動(dòng)到地毯時(shí)產(chǎn)生的更大阻力不會(huì)影響吸力。

可靠的電機(jī)啟動(dòng)

MCF8316A 和 MCT8316A 器件具有相同的啟動(dòng)特性。通過(guò)對(duì)齊或初始位置檢測(cè) (IPD)，可以準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，確?？煽康碾姍C(jī)啟動(dòng)。

即時(shí)啟動(dòng)

即時(shí)啟動(dòng)功能可在掃地機(jī)器人反復(fù)打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)實(shí)現(xiàn)平滑的正向和反向同步。例如，掃地機(jī)器人在檢測(cè)到吸塵口被堵塞時(shí)可能需要停止電機(jī)然后重新啟動(dòng)。

功率限制

CF8316A 和 MCT8316A 具有功率限制功能，可防止電池出現(xiàn)電涌。此功能用于掃地機(jī)器人經(jīng)過(guò)較大的碎屑和污垢區(qū)域的場(chǎng)景。負(fù)載突然變化會(huì)導(dǎo)致電機(jī)消耗更多電能并產(chǎn)生尖峰。功率限制功能會(huì)設(shè)置功率閾值以避免發(fā)生尖峰。這延長(zhǎng)了電池的使用壽命，從而使消費(fèi)者不必更換器件。

自動(dòng)死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償

CF8316A 器件的另一個(gè)關(guān)鍵特性是可以更大限度地降低可聞噪聲。集成的 FOC 算法通過(guò)產(chǎn)生平滑的相電流來(lái)優(yōu)化噪聲性能。圖 2 顯示了 MCF8316A 相電流波形。

圖 2. 相電流波形與 FFT - 禁用死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償

正弦波電流有利于降低噪聲。波形越平滑，產(chǎn)生的噪聲就越低。為了進(jìn)一步讓正弦波形更加的平滑，客戶(hù)可以啟用死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償。圖 3 顯示了啟用死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償后的 MCF8316A 相電流波形。

圖 3. 相電流波形與 FFT - 啟用死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償

我們使用手持聲級(jí)計(jì)進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，展示了優(yōu)化噪聲性能之前和之后不同電機(jī)速度下的噪聲水平。

圖4顯示了優(yōu)化噪聲前后 MCF8316A 的可聞噪聲對(duì)比圖。

圖 4. MCF8316A 的可聞噪聲比較

MCT8316A 能夠使用 120° 和 150° 換向。MCT8316A 通過(guò) 150° 換向可提供更好的噪聲性能。圖 5 顯示了 MCT8316A 中 120° 和 150° 換向之間的噪聲對(duì)比圖。

圖 5. 120° 換向與 150° 換向之間的可聞噪聲比較

掃地機(jī)器人被用作多任務(wù)設(shè)備。消費(fèi)者會(huì)在掃地機(jī)器人清潔房子時(shí)做一些其他事情，所以改善電機(jī)噪聲性能是消費(fèi)者選購(gòu)掃地機(jī)器人的重要參考。MCF8316A 和 MCT8316A 都能夠改善可聞噪聲。

滾刷電機(jī)和拖布電機(jī)

對(duì)于滾刷電機(jī)和拖布電機(jī)，我們推薦使用 MCT8316A 和 MCT8316Z。MCT8316Z 除了具有與上述 MCT8316A 相同的特性，還具有一些其他特性。滾刷電機(jī)和拖布電機(jī)需要更高的扭矩和加速能力。這是因?yàn)闈L刷和拖布在機(jī)器人工作時(shí)需要與地面的碎屑和灰塵直接接觸。例如，滾刷會(huì)在地毯和碎屑上滾動(dòng)，這些碎屑可能會(huì)使?jié)L刷卡住（可能是食物殘?jiān)?、頭發(fā)甚至襪 子）。MCT 器件能夠達(dá)到的更高扭矩將使掃地機(jī)器人能夠在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下持續(xù)運(yùn)行。

快速加速是 MCT 器件的另一個(gè)重要特性。當(dāng)從正在清潔的房間的狹窄角落移動(dòng)到的寬敞區(qū)域時(shí)，快速加速可以使器件輕松快速地達(dá)到可變速度。

盡可能減少功率損耗在掃地機(jī)器人中也很重要，因?yàn)檫@種損耗會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。由于器件遇到的負(fù)載不斷變化，因此確保機(jī)器人不會(huì)過(guò)熱很重要。MCT 器件具有自動(dòng)同步整流 (ASR) 和自動(dòng)異步整流 (AAR) 功能，以及 95mΩ 的低 R_DS(ON)，可降低功率器件的損耗，從而減少系統(tǒng)發(fā)熱。

表 1. 器件系列特性

結(jié)語(yǔ)

MCx8316x 能夠滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)掃地機(jī)器人的不同特性需求?？蛻?hù)可以在這些功能豐富的集成驅(qū)動(dòng)器中選擇任意一款用于吸塵、滾刷和拖布電機(jī)，并將其實(shí)施到設(shè)計(jì)中，為設(shè)計(jì)添彩。隨著越來(lái)越多的消費(fèi)者轉(zhuǎn)向智能設(shè)備并尋找提高家居效率的方法，掃地機(jī)器人的市場(chǎng)在不斷增長(zhǎng)。作為一款一體化解決方案，MCx8316x 集成了消費(fèi)者所需的功能，可以給客戶(hù)的產(chǎn)品帶來(lái)更多的優(yōu)勢(shì)。