電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能的系統(tǒng)。當(dāng)然，今天的技術(shù)允許高度復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器。

機(jī)器和設(shè)備的自主運(yùn)動(dòng)一直是人類(lèi)的夢(mèng)想——這個(gè)夢(mèng)想在過(guò)去實(shí)現(xiàn)了，這要?dú)w功于對(duì)機(jī)械充滿(mǎn)熱情的天才們對(duì)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。當(dāng)然，今天的技術(shù)允許在宏觀機(jī)械和微觀機(jī)械領(lǐng)域進(jìn)行高度復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)器廣泛用于工業(yè)和民用應(yīng)用(圖 1)。它們涉及一個(gè)稱(chēng)為執(zhí)行器的動(dòng)力器官，能夠產(chǎn)生機(jī)械功，由其他機(jī)械或電子設(shè)備控制。為了確保高質(zhì)量的工作，擁有高質(zhì)量的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器是必不可少的。一些解決方案包括使用集電極電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和磁阻電機(jī)。它們中的每一個(gè)都有特定的特征，具體取決于系統(tǒng)本身執(zhí)行的目的。自動(dòng)化領(lǐng)域還包括運(yùn)動(dòng)控制，它以受控方式研究機(jī)器運(yùn)動(dòng)部件中涉及的子系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，控制器通過(guò)放大器向電機(jī)發(fā)送命令，但它不會(huì)意識(shí)到運(yùn)動(dòng)。然而，在閉環(huán)系統(tǒng)中，控制器接收系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果以進(jìn)行校正并補(bǔ)償任何錯(cuò)誤。

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是由電動(dòng)機(jī)、電源電路、命令和控制電路組成的系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)軸的扭矩、速度或位置。駕駛員可以有一個(gè)不可調(diào)節(jié)的速度，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)在特性，以及一個(gè)可調(diào)節(jié)的速度，它允許對(duì)能源和完成的工作進(jìn)行明智和經(jīng)濟(jì)的管理。速度變化以不同的方式發(fā)生。

運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制不描述特定的機(jī)械或電子組件。相反，它代表一組單獨(dú)的組件，它們一起工作以在機(jī)器或系統(tǒng)中創(chuàng)建受控運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵組件通常包括：

運(yùn)動(dòng)控制器

驅(qū)動(dòng)器，目的是放大能量

致動(dòng)器

控制器是一種電子設(shè)備，在控制系統(tǒng)中充當(dāng)“大腦”。使用的控制器數(shù)量根據(jù)需要控制的單個(gè)過(guò)程的數(shù)量而有所不同。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，可能有許多控制器。這些控制器中的每一個(gè)都可以向電機(jī)發(fā)送命令，同時(shí)從執(zhí)行器本身接收指令。驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)控制器和電機(jī)之間的中介。它解釋來(lái)自控制器的信號(hào)并提供正確的功率電平以轉(zhuǎn)發(fā)給電機(jī)以獲得所需的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中使用的電機(jī)可以采用多種形式并提供各種應(yīng)用。它們的主要功能是接收電輸入并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

執(zhí)行器

運(yùn)動(dòng)控制的最終目標(biāo)是對(duì)執(zhí)行器實(shí)施物理動(dòng)作，該動(dòng)作將以應(yīng)用程序所需的術(shù)語(yǔ)和方式再現(xiàn)(圖 2)。不深入探討該主題，可以通過(guò)以下方式執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器：

步進(jìn)電機(jī)，其工作原理與普通電動(dòng)機(jī)類(lèi)似。磁鐵的內(nèi)部布置允許軸單步旋轉(zhuǎn)。例如，步進(jìn)電機(jī)的一整圈可以分為 360 步，每步 1 度。這樣一來(lái)，內(nèi)軸的定位就極其準(zhǔn)確和精確。

線(xiàn)性致動(dòng)器，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。

伺服系統(tǒng)，可提供角度運(yùn)動(dòng)的精確控制。

智能駕駛

技術(shù)當(dāng)然取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這個(gè)領(lǐng)域也受到了很大的影響。新的尖端和強(qiáng)大的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了以效率為目標(biāo)的結(jié)果，最重要的是，安全和舒適。新技術(shù)允許快速和精確的定位，以及在智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中同步的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。此外，這些系統(tǒng)不是相互獨(dú)立的，而是與其他組件通信，以允許在一般系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行信號(hào)處理和集成測(cè)量。今天，可以進(jìn)行非常逼真的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)人與人工機(jī)器之間的完美互動(dòng)。

速度設(shè)置

自動(dòng)化管理中最關(guān)鍵的方面之一是能夠不斷改變執(zhí)行器產(chǎn)生的工作的特性。一方面，這種操作看似無(wú)害且簡(jiǎn)單;另一方面，它非常微妙，系統(tǒng)的特性和響應(yīng)取決于它。在理想情況下，輸入能量 (Ei) 和輸出能量 (Eu) 相同。比率Eu/Ei提供了在理想情況下(零損耗)等于 1 的效率水平，但在實(shí)踐中，這是無(wú)法做到的。

表 1：電路效率表

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圖 ：改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一種方式

它也可以表示為百分比。例如，假設(shè)要以最自然的解決方案降低電機(jī)的速度，您需要在線(xiàn)路上串聯(lián)一個(gè)電阻元件以降低傳輸電流(圖 3)。該解決方案是最糟糕的解決方案之一，因?yàn)槲词褂玫墓姆浅４蟆?/p>

該表也以圖形方式顯示在圖中，顯示了與通過(guò)電流的障礙物質(zhì)量相關(guān)的效率下降趨勢(shì)。必須說(shuō)，通過(guò)使用變阻器，您可以在降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)獲得非常低的扭矩。事實(shí)上，如果電阻值增加過(guò)大，電機(jī)也可能在重載下停止，如果初始負(fù)載過(guò)大甚至無(wú)法啟動(dòng)。

圖：用于改變發(fā)動(dòng)機(jī)速度的變阻器電路的效率圖

為了克服這個(gè)問(wèn)題，可以使用齒輪和減速器來(lái)保持電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩高，并按比例減慢機(jī)械負(fù)載的速度。如果您想在不影響系統(tǒng)強(qiáng)度的情況下降低 RPM，您可以使用 PWM 控制器來(lái)改變電機(jī)上的電壓。

事實(shí)上，大多數(shù)小型直流電機(jī)都設(shè)計(jì)為在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。因此，對(duì)于需要低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用，PWM 通常是最佳選擇。

使用這種技術(shù)可確保最大扭矩脈沖，這使您能夠以非常低的速度驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但需要很大的力。PWM 是一種通過(guò)快速打開(kāi)和關(guān)閉電子設(shè)備的電源來(lái)產(chǎn)生可變電壓的方法。使用 PWM，您可以設(shè)計(jì)優(yōu)化電源的放大器或逆變器。平均電壓取決于信號(hào)占空比，即在單個(gè)周期內(nèi)信號(hào)開(kāi)啟的時(shí)間量與信號(hào)關(guān)閉的時(shí)間量的比較。開(kāi)關(guān)解決方案是高能效功率放大的最佳解決方案之一，該功能可實(shí)現(xiàn)高功率傳輸。

圖 ：PWM 的工作原理

這種技術(shù)的效率非常高，通過(guò)查看圖 6的應(yīng)用方案，可以了解各種系統(tǒng)之間的差異。讓我們檢查四種不同的配置，其中負(fù)載有意使用 50% 的能量供電：

在此圖中(左上角)，負(fù)載不受脈沖串的影響，而是受到固定電壓的影響，等于電源的一半。控制是通過(guò)晶體管的極化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該晶體管在線(xiàn)性區(qū)域中工作。散熱非常高，效率為49%。

在第二個(gè)示意圖(右上角)中，晶體管的行為類(lèi)似于開(kāi)關(guān)元件，由組件“基極”端子上的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)。該解決方案的效率非常高，約為 85%。

第三個(gè)原理圖(左下)提供了使用普通功率 MOSFET (IRF530)。該電路的效率非常高，約為97%。

第四個(gè)原理圖(右下)使用了一種新技術(shù)，即 SiC MOSFET，作為試驗(yàn)組件。效率非常高，超過(guò)99%。幾乎所有來(lái)自電源的能量都以非常低的損耗傳輸?shù)截?fù)載。

圖 ：PWM 允許您以非常高的效率調(diào)整負(fù)載功率。

因此，PWM 不等同于向負(fù)載施加固定電壓。轉(zhuǎn)矩由平均電流決定。由于線(xiàn)圈電感小，小型電機(jī)的效率在相對(duì)較低的 PWM 頻率下會(huì)降低。當(dāng)電感較小時(shí)，電流跟隨 PWM 信號(hào)，與電流相比增加了散熱。阻尼降低了扭矩，同時(shí)產(chǎn)生了更多的熱量。因此，較高的 PWM 頻率對(duì)效率更好。更大的電機(jī)具有更高的電感，即使在較低的 PWM 頻率下效率也更高。

驅(qū)動(dòng)器和動(dòng)力駕駛

前幾段的圖表清楚地表明，無(wú)論使用何種技術(shù)，電機(jī)(任何類(lèi)型)都必須由動(dòng)力裝置控制。驅(qū)動(dòng)器必須提供高電流，這對(duì)于操作電機(jī)以及采用正確的命令可編程性、速度或加速度是必需的。它們的設(shè)計(jì)必須具有極高的精度和魯棒性，因?yàn)樗鼈円部梢杂糜诠I(yè)用途。出于這個(gè)原因，它們必須受到電流保護(hù)并使用主動(dòng)和被動(dòng)散熱器進(jìn)行冷卻。電路中使用的功率 MOSFET 必須至少能夠承受電機(jī)所需的電源電壓和最大電流。擁有超大尺寸的 MOSFET 總是更好。還使用了“預(yù)驅(qū)動(dòng)器”電路，因?yàn)樗鼈兪褂?a target="_blank">線(xiàn)性穩(wěn)壓器、電荷泵和自舉電容器在內(nèi)部產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)電壓。Advanced Micro Systems (AMS) CMAX-410運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

它提供了用于控制 4-A 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的集成解決方案。它可以由用戶(hù)獨(dú)立編程或由中央主機(jī)控制。它通過(guò)工業(yè)連接器發(fā)送用于電機(jī)和控制的所有信號(hào)。所有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都提供可編程電流、保持電流、微步進(jìn)模式、速度、加速度等。它專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于減少電氣干擾并最大限度地提高安全性。它通過(guò)了 CE 認(rèn)證。

　　審核編輯：湯梓紅