介紹

電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)器是許多應(yīng)用的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鼈兛梢垣@得高度的精度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為更低的成本和更高的效率。電機(jī)控制電路執(zhí)行的重要功能是確保轉(zhuǎn)子在不同的操作和負(fù)載條件下獲得關(guān)于繞組的精確位置，從而以足夠的精度確定 ts 位置。例如，如果連接到電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)器必須實(shí)時(shí)修改電機(jī)控制參數(shù)。這樣，扭矩和轉(zhuǎn)速滿足特定應(yīng)用的要求。

該解決方案的主要優(yōu)點(diǎn)是完全采用固態(tài)技術(shù)制造，減少或可能消除對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（如齒輪、滑輪和皮帶）的依賴，其成本不可忽略。在需要高精度定位電機(jī)的應(yīng)用中（例如機(jī)械臂、3D 打印機(jī)、CNC 機(jī)器等），通常與微步進(jìn)等復(fù)雜控制算法結(jié)合使用的步進(jìn)電機(jī)被成功采用。這種技術(shù)允許螺旋槳的出色定位，通過(guò)應(yīng)用小數(shù)步增量獲得，下降到（在某些特定情況下）1/32 步增量。這種技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)高精度，但它也提高了解決方案的效率并減少了電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)常見的共振現(xiàn)象。在電子工業(yè)中，貼片機(jī)被廣泛使用。它們是真正的機(jī)器人，其任務(wù)是將組裝所需的 SMD 組件定位在 PCB 上。此類應(yīng)用需要高精度（數(shù)量級(jí)為微米），但也需要快速操作，以降低與 SMT 組裝相關(guān)的成本。

高精度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

工業(yè)應(yīng)用中使用的機(jī)器人系統(tǒng)，例如上面提到的拾放機(jī)，主要使用由交流電壓 (AC) 供電的三相電機(jī)。圖1顯示了適用于所述車輛的電子控制電路的框圖。使用二極管和穩(wěn)壓電容器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓 (DC)。一個(gè)專用的微控制器產(chǎn)生一個(gè) PWM 信號(hào)，當(dāng)應(yīng)用于三相逆變器時(shí)，在輸出端產(chǎn)生三個(gè)高頻波形，并利用到相應(yīng)的電機(jī)繞組。請(qǐng)注意圖中存在從電機(jī)到微控制器的反饋信號(hào)。這些信號(hào)的任務(wù)是實(shí)時(shí)測(cè)量每相吸收的電流，使電路能夠?qū)ω?fù)載條件的快速變化做出迅速響應(yīng)。因此，發(fā)送到三相逆變器的 PWM 信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，以便為電機(jī)繞組提供正確的功率電平。作為微控制器的替代品，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波算法。電子設(shè)計(jì)師必須面對(duì)的最大挑戰(zhàn)之一是反饋電流和電壓監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)。最有效的解決方案是監(jiān)控所有三個(gè)電機(jī)繞組，將獲取的模擬值轉(zhuǎn)換為盡可能靠近信號(hào)源的數(shù)字形式。信號(hào)調(diào)制技術(shù)減少對(duì)其他高頻指標(biāo)的干擾，特別注意與時(shí)鐘信號(hào)相關(guān)的PCB布局和走線的位置。最有效的解決方案是監(jiān)控所有三個(gè)電機(jī)繞組，將獲取的模擬值轉(zhuǎn)換為盡可能靠近信號(hào)源的數(shù)字形式。信號(hào)調(diào)制技術(shù)減少對(duì)其他高頻指標(biāo)的干擾，特別注意與時(shí)鐘信號(hào)相關(guān)的PCB布局和走線的位置。最有效的解決方案是監(jiān)控所有三個(gè)電機(jī)繞組，將獲取的模擬值轉(zhuǎn)換為盡可能靠近信號(hào)源的數(shù)字形式。信號(hào)調(diào)制技術(shù)減少對(duì)其他高頻指標(biāo)的干擾，特別注意與時(shí)鐘信號(hào)相關(guān)的PCB布局和走線的位置。

圖 1：交流供電的三相感應(yīng)電機(jī)控制框圖

實(shí)現(xiàn)與圖 1 類似的電路所需的電子元件包括：隔離式和非隔離式開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器、反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換器和用于實(shí)時(shí)控制的高速處理單元、可編程時(shí)鐘發(fā)生器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器, 三相逆變器。

商業(yè)級(jí)解決方案

德州儀器 (TI)提供先進(jìn)的解決方案，用于設(shè)計(jì)精確的電機(jī)控制和可靠的驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備，包括高頻氮化鎵 (GaN) 柵極驅(qū)動(dòng)器和模塊。一個(gè)例子是TIDA-00915，這是一種用于集成驅(qū)動(dòng)器的三相、1.25 千瓦、200 伏交流小外形 GaN 逆變器參考設(shè)計(jì)。如圖 2 所示，參考設(shè)計(jì)是一款三相逆變器，在 50°C 和 85°C 時(shí)的連續(xù)額定功率分別為 1.25 kW 和 550 W，用于驅(qū)動(dòng) 200V 交流伺服電機(jī)。它具有 600V LMG3411R150具有集成 FET 和柵極驅(qū)動(dòng)器的 GaN 功率模塊安裝在 1.95mm 絕緣金屬基板 (IMS) 板上，以實(shí)現(xiàn)高效散熱。超小尺寸 (80 × 46 × 37 mm) 允許在帶有機(jī)器人和 CNC 機(jī)器的 6 軸電機(jī)應(yīng)用中輕松集成驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。

圖 2：TI TIDA-00915 參考板

Allegro Microsystems為電機(jī)控制應(yīng)用提供多種電流傳感器 IC，例如ACS720，一種高精度、基于霍爾效應(yīng)的電流隔離電流傳感器。該 IC 具有多個(gè)可編程故障級(jí)別，適用于工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用，重點(diǎn)是電機(jī)控制和功率逆變器級(jí)應(yīng)用。ACS720 采用小型表面貼裝 SOIC16 封裝，集成了差分電流感應(yīng)，可抑制外部磁場(chǎng)，從而簡(jiǎn)化三相電機(jī)應(yīng)用中的電路板布局。

Silicon Labs有多種解決方案，也是電機(jī)控制應(yīng)用的理想選擇。例如，Si828x隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，適用于驅(qū)動(dòng)各種逆變器和電機(jī)控制應(yīng)用中使用的 IGBT 和碳化硅 (SiC) 器件。Si828x 器件是具有集成系統(tǒng)安全和反饋功能的隔離式大電流柵極驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器支持高達(dá) 5.0 kV RMS 和符合 UL1577 的耐受電壓，與其他隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)相比，可實(shí)現(xiàn)更高的性能、減少隨溫度和老化的變化、更緊密的部件與部件匹配以及卓越的共模抑制。

審核編輯：劉清