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作者：德州儀器 引言 隨著家電市場的不斷發展，更多智能化和自動化的電器進入了人們的生活，尤其是掃地機器人。在掃地機器人系統中，目前使用的電機驅動器有有刷和無刷兩種。由于對掃地機器人的使用壽命和效率要求變高，越來越多的客戶趨向于選擇無刷直流電機 (BLDC)。MCx8316x 器件是一款全集成的無刷直流電機驅動器（包括控制算法、柵極驅動器和 FET）。本應用手冊討論了如何將 MCx 器件用于掃地機器人系統中的吸塵電機、滾刷電機和拖布電機，并進行了市場分析。 掃地機器人 雖然掃地機器人的結構因不同供應商提供的功能而異，但其中的基本電機在市場上是通用的。無刷直流電機主要應用于吸塵電機、滾刷電機和拖布電機。與有刷電機相比，BLDC 可實現靜音操作且電機壽命更長，因此，一些客戶在帶有霍爾傳感器的掃地機器人的輪子中使用 BLDC。MCx 器件具有極富競爭力的控制算法。 MCx8316x 集成的控制算法以及豐富的控制功能，使得 MCx8316x 可以在不同的電機應用場景中游刃有余。 MCx8316x 這三款器件的工作電壓均為 4.5V 至 35V，絕對最大電壓為 40V，峰值電流為 8A。這些器件的封裝尺寸為7mm x 5mm，高度為 1mm。客戶可根據其實施電機驅動器的子系統選擇所需的器件。 MCT8316Z MCT8316Z 提供了一個配有傳感器的單芯片、無代碼梯形解決方案。MCT8316Z 適用于需要高啟動扭矩和精確速度控制的客戶應用。 應用 對于掃地機器人，可將 MCx8316x 器件用于三個主要子系統：吸塵電機、滾刷電機和拖布電機。滾刷電機和拖布電機如圖 1 所示。吸塵電機位于掃地機器人內部，在機器人外部看不到。 MCT8316A 和 MCF8316A MCT8316A 和 MCF8316A 是無代碼無傳感器 BLDC 電機驅動器。MCT8316A 提供無代碼無傳感器梯形控制解決方案，而 MCF8316A 提供無代碼無傳感器磁場定向控制 (FOC) 解決方案。MCF8316A 中的轉子位置通過 BEMF 觀測器進行估算，而 MCT8316A 中的轉子位置通過反電動勢過零進行測量。梯形解決方案通常適用于需要高速運行（電機頻率高達 3kHz）和快速啟動時間（小于 50ms）的客戶應用。FOC 解決方案適用于驅動速度受控型的客戶應用，可以降低電機換向產生的可聞噪聲。 
圖 1. 掃地機器人 吸塵電機 掃地機器人的吸塵電機不斷移動并吸走地面的灰塵和碎屑，這意味著電機會遇到不同程度的污垢，并且必須在不同的地板類型（地毯、硬木或瓷磚）上吸起灰塵和碎屑。因此，強烈建議客戶使用 MCT8316A 和 MCF8316A。MCF8316A 和 MCT8316A 可以分別實現 1.5kHz（2 極電機為 90kRPM）和 3kHz（2 極電機為 180kRPM）的高速旋轉。更高的電機轉速將轉化為更強的吸力，可以更輕松地吸起較臟區域的灰塵和碎屑。兩款器件都具有恒速功能，可以在遇到動態負載條件時保持恒速。例如，當掃地機器人從硬木地板移動到地毯時，吸塵電機可能會遇到負載變化的情況。由于器件具有恒速功能，掃地機器人從硬木地板移動到地毯時產生的更大阻力不會影響吸力。 可靠的電機啟動 MCF8316A 和 MCT8316A 器件具有相同的啟動特性。通過對齊或初始位置檢測 (IPD)，可以準確檢測電機的轉子位置，確保可靠的電機啟動。 即時啟動 即時啟動功能可在掃地機器人反復打開和關閉時實現平滑的正向和反向同步。例如，掃地機器人在檢測到吸塵口被堵塞時可能需要停止電機然后重新啟動。 功率限制 MCF8316A 和 MCT8316A 具有功率限制功能，可防止電池出現電涌。此功能用于掃地機器人經過較大的碎屑和污垢區域的場景。負載突然變化會導致電機消耗更多電能并產生尖峰。功率限制功能會設置功率閾值以避免發生尖峰。這延長了電池的使用壽命，從而使消費者不必更換器件。 自動死區時間補償 MCF8316A 器件的另一個關鍵特性是可以更大限度地降低可聞噪聲。集成的 FOC 算法通過產生平滑的相電流來優化噪聲性能。圖 2 顯示了 MCF8316A 相電流波形。正弦波電流有利于降低噪聲。波形越平滑，產生的噪聲就越低。為了進一步讓正弦波形更加的平滑，客戶可以啟用死區時間補償。圖 3 顯示了啟用死區時間補償后的 MCF8316A 相電流波形。
圖 2. 相電流波形與 FFT - 禁用死區時間補償
圖 3. 相電流波形與 FFT - 啟用死區時間補償 我們使用手持聲級計進行了一項實驗，展示了優化噪聲性能之前和之后不同電機速度下的噪聲水平。 圖 4 顯示了優化噪聲前后 MCF8316A 的可聞噪聲對比圖。
圖 4. MCF8316A 的可聞噪聲比較 MCT8316A 能夠使用 120° 和 150° 換向。MCT8316A 通過 150° 換向可提供更好的噪聲性能。圖 5 顯示了 MCT8316A 中 120° 和 150° 換向之間的噪聲對比圖。
圖 5. 120° 換向與 150° 換向之間的可聞噪聲比較掃地機器人被用作多任務設備。消費者會在掃地機器人清潔房子時做一些其他事情，所以改善電機噪聲性能是消費者選購掃地機器人的重要參考。MCF8316A 和 MCT8316A 都能夠改善可聞噪聲。 滾刷電機和拖布電機 對于滾刷電機和拖布電機，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。滾刷電機和拖布電機需要更高的扭矩和加速能力。這是因為滾刷和拖布在機器人工作時需要與地面的碎屑和灰塵直接接觸。例如，滾刷會在地毯和碎屑上滾動，這些碎屑可能會使滾刷卡住（可能是食物殘渣、頭發甚至襪子）。MCT 器件能夠達到的更高扭矩將使掃地機器人能夠在動態負載條件下持續運行。 快速加速是 MCT 器件的另一個重要特性。當從正在清潔的房間的狹窄角落移動到的寬敞區域時，快速加速可以使器件輕松快速地達到可變速度。 盡可能減少功率損耗在掃地機器人中也很重要，因為這種損耗會轉化為熱能。由于器件遇到的負載不斷變化，因此確保機器人不會過熱很重要。MCT 器件具有自動同步整流 (ASR) 和自動異步整流 (AAR) 功能，以及 95mΩ 的低 RDS(ON)，可降低功率器件的損耗，從而減少系統發熱。 表 1. 器件系列特性
結語 MCx8316x 能夠滿足客戶對掃地機器人的不同特性需求。客戶可以在這些功能豐富的集成驅動器中選擇任意一款用于吸塵、滾刷和拖布電機，并將其實施到設計中，為設計添彩。隨著越來越多的消費者轉向智能設備并尋找提高家居效率的方法，掃地機器人的市場在不斷增長。作為一款一體化解決方案，MCx8316x 集成了消費者所需的功能，可以給客戶的產品帶來更多的優勢。 |
