介紹

電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)器在許多應(yīng)用中都是基本的，因?yàn)樗鼈冊试S獲得很高的精度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為更低的成本和更高的效率。電動(dòng)機(jī)控制電路執(zhí)行的重要功能是確保轉(zhuǎn)子在不同的運(yùn)行和負(fù)載條件下占據(jù)與繞組有關(guān)的精確位置，從而以足夠的精度確定位置。例如，如果電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載發(fā)生變化，駕駛員必須實(shí)時(shí)修改電動(dòng)機(jī)控制參數(shù)。這樣，扭矩和轉(zhuǎn)速即可滿足特定應(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，從而減少或可能消除了對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（例如齒輪，皮帶輪和皮帶）的依賴，而這些運(yùn)動(dòng)的成本不可忽略。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），通常采用了步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)通常與諸如微步進(jìn)之類的復(fù)雜控制算法結(jié)合使用。通過應(yīng)用小數(shù)步長增量（低至（在某些特定情況下）1/32步長增量而獲得）螺旋槳，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)出色的螺旋槳定位。這項(xiàng)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，并減少了低速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的典型共振現(xiàn)象。在電子工業(yè)中，取放機(jī)器被廣泛使用。他們是真正的機(jī)器人，其任務(wù)是將組裝所需的SMD組件放置在PCB上。這樣的應(yīng)用需要高精度（數(shù)量級(jí)是微米），還需要快速操作，以減少與SMT組件相關(guān)的成本。

高精度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在工業(yè)應(yīng)用中使用的機(jī)器人系統(tǒng)，例如上述的取放機(jī)器，主要使用由交流（AC）供電的三相電動(dòng)機(jī)。圖1圖1示出了適用于所述車輛的電子控制電路的框圖。使用二極管和調(diào)平電容器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓（DC）。專用微控制器在應(yīng)用于三相逆變器時(shí)會(huì)生成PWM信號(hào)，并在輸出端生成三個(gè)高頻波形，并利用它們分別連接至電機(jī)繞組。注意在圖中，存在從電動(dòng)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)測量每個(gè)相吸收的電流，從而使電路能夠迅速響應(yīng)負(fù)載條件的快速變化。因此，發(fā)送至三相逆變器的PWM信號(hào)經(jīng)過調(diào)節(jié)，以向電機(jī)繞組提供正確的功率水平。作為微控制器的替代品，DSP或FPGA解決方案更適合于實(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)視電路的設(shè)計(jì)。最有效的解決方案是監(jiān)視所有三個(gè)電機(jī)繞組，將獲取的模擬值轉(zhuǎn)換為盡可能接近信號(hào)源的數(shù)字形式。信號(hào)調(diào)制技術(shù)減少了對(duì)其他高頻指示器的干擾，尤其要注意PCB布局以及與時(shí)鐘信號(hào)相關(guān)的走線的位置。最有效的解決方案是監(jiān)視所有三個(gè)電機(jī)繞組，將獲取的模擬值轉(zhuǎn)換為盡可能接近信號(hào)源的數(shù)字形式。信號(hào)調(diào)制技術(shù)減少了對(duì)其他高頻指示器的干擾，尤其要注意PCB布局以及與時(shí)鐘信號(hào)相關(guān)的走線的位置。最有效的解決方案是監(jiān)視所有三個(gè)電機(jī)繞組，將獲取的模擬值轉(zhuǎn)換為盡可能接近信號(hào)源的數(shù)字形式。信號(hào)調(diào)制技術(shù)減少了對(duì)其他高頻指示器的干擾，尤其要注意PCB布局以及與時(shí)鐘信號(hào)相關(guān)的走線的位置。

圖1：交流供電的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制的框圖

實(shí)現(xiàn)類似于圖1的電路所需的電子組件包括：隔離和非隔離的開關(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，以及三相逆變器。

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。TIDA-00915是一個(gè)示例，這是一款用于集成驅(qū)動(dòng)器的三相1.25kW，200VAC小型GaN逆變器參考設(shè)計(jì)。如圖2所示，該參考設(shè)計(jì)是一個(gè)三相逆變器，在50°C時(shí)的額定連續(xù)功率為1.25 kW，在85°C時(shí)的額定連續(xù)功率為550 W，以驅(qū)動(dòng)200V交流伺服電機(jī)。它具有600VLMG3411R150具有集成FET和柵極驅(qū)動(dòng)器的GaN電源模塊安裝在1.95mm絕緣金屬基板（IMS）板上，可實(shí)現(xiàn)高效散熱。超小外形尺寸（80×46×37 mm），可在機(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)用提供了多種電流傳感器IC，例如ACS720，基于霍爾效應(yīng)的高精度電隔離電流傳感器。該IC具有多種可編程故障等級(jí)，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，集成了差分電流檢測功能，可抑制外部磁場，從而簡化了三相電機(jī)應(yīng)用中的電路板布局。

Silicon Labs還提供了多種解決方案，這些解決方案也是電機(jī)控制應(yīng)用的理想選擇。Si828x隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器就是一個(gè)例子，適用于驅(qū)動(dòng)在各種逆變器和電機(jī)控制應(yīng)用中使用的IGBT和碳化硅（SiC）器件。Si828x器件是隔離的大電流柵極驅(qū)動(dòng)器，具有集成的系統(tǒng)安全性和反饋功能。與其他隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)相比，該驅(qū)動(dòng)器支持高達(dá)5.0 kV RMS電壓和每個(gè)UL1577的耐壓，可實(shí)現(xiàn)更高的性能，減少的溫度和使用年限變化，更緊密的部件間匹配以及出色的共模抑制性能。
編輯：hfy