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利用集成解决方案驱动电机设备

2020-02-18 14:40 来源:电源网编译 编辑:咩咩

步进和永磁同步电动机越来越多地用于要求高效率和出色性能的控制应用中。当前的电动机控制技术包括使用微电子技术来改善速度,位置和扭矩的控制,以及更高的效率。

步进电机是能够将电脉冲转换为离散的机械步进的机电设备。当在强度和方向上随时间控制的适当顺序的电脉冲施加到电动机时,曲轴旋转不连续的步数。步进电机是需要精确控制运动范围的应用的理想解决方案。它们可以控制旋转角度,速度,位置和同步。步进电机的主要优点是它们不需要反馈机制。无需使用编码器即可精确确定位移量。

永磁同步电动机(PMSM)可以非常快速,精确地控制转矩和速度,即使在运行瞬态过程中也可以确保最佳效率。它们的卓越性能归因于它们在整个速度范围内有规律的旋转,零速度下的完全转矩控制以及高加速度和减速度值。 PMSM的应用广泛,包括家用电器(洗衣机,洗碗机泵,冰箱和空调),医疗设备(CPAP和VPAP机器,泵,轮椅),电动汽车,自动售货机,自动提款机,工业执行器,风扇,泵和鼓风机。

单极和双极步进器

单极步进电机由两个相同的线圈组成,两个线圈都具有不与电气连接的中间抽头。通过为双股线圈对的一端供电,使流动反向,中间抽头用作公共极。单极步进电机的优势在于,对于每个相,使用带有中间抽头的绕组;因此,每相步进电机都具有中间抽头。绕组的每一侧针对磁通量的每个方向被激活。开关电路非常简单,因为该设备具有可反转的磁极,而无需改变电流方向。但是,由于每个线圈只有一半被磁化,因此单极步进电机的磁力减小,从而限制了可用转矩值。

双极步进电机与单极步进电机相似,但是它们的线圈没有中间抽头。双极电动机的驱动稍微复杂一些,通常基于H桥,该H桥能够反转绕组的极性,从而反转磁通量。由于双极电动机的每个绕组仅使用单个较大的线圈,因此绕组电阻较低,并且可以获得较高的转矩值。

由于驱动电路的简单性,仅需几个分立的组件,单极步进电机仍在多种应用中使用。然而,随着在减小电子部件的尺寸和成本方面取得的进步,最新的步进器应用趋向于使用双极步进电动机。

驾驶双极步进机

驱动步进电机的两种最常见模式是全步和半步。在全步模式下,总是同时激活两个相,并且电动机始终提供额定转矩。此控制模式仅需要四个方波信号,这些信号可以由微控制器PWM模块生成。占空比保持固定,持续时间等于一个步骤。根据初始阶段,轴将顺时针或逆时针旋转。

半步模式稍微复杂一些。在这种情况下,根据特定时间仅激活一个相位或激活两个相位,并且电动机在每个时钟脉冲处前进半步。此模式可在位置值上获得更高的分辨率,并消除了不稳定性。但是,由于扭矩不会随时间保持恒定,因此半步解决方案可能会产生共振和振动现象。

驱动步进电动机的另一种方法是波动驱动模式,在该模式下,任何给定瞬间只有一个相处于活动状态。设计者很少选择这种模式,因为它效率低下并且相对于其他方法产生的扭矩值较低。

最后,还有第四种模式,微步进,可以提供非常高的分辨率值并通过恒定电流调节来防止转矩振荡。微步进驱动器通过遵循正弦曲线来增加或减小驱动电流,因此在任何时刻,没有极点完全断开或接通。

所有驱动模式都可以使用标准逻辑电路来获取信号,但是最普遍采用的解决方案是基于专门为步进电机控制设计的集成电路。

利用集成解决方案驱动电机设备

图1:L9942框图(图片:STMicroelectronics)

当今市场上有几种IC可以驱动双极步进电机并实现诸如微步进的高级功能。例如,意法半导体(STMicroelectronics)的L9942是用于带微步进和可编程电流曲线查找表(LUT)的双极步进电机的集成驱动器。该器件包括两个全桥,最大负载为1.3 A(RDS(on)= 500mΩ),并可针对全步,半步或微步模式操作进行编程(图1)。该器件可以通过SPI接口以及一些离散逻辑信号轻松地与微控制器连接。 L9942包含设计用于检测由过大的机械负载引起的电动机停转的逻辑块,在这种情况下,负载电流的上升速度比正常操作期间要快得多。

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图2:DRV8436 / DRV8437框图(图片:德州仪器(Texas Instruments))

德州仪器(TI)的DRV8436和DRV8437具有两个N通道功率MOSFET H桥驱动器,一个微步进分度器和集成的电流检测功能(图2)。 DRV8436 / 37可以分别驱动高达1.1 A和0.8 A的输出。该驱动器的内部电流检测架构无需两个外部电源检测电阻,从而节省了PCB面积和系统成本。智能调谐衰减技术可自动调节以获得最佳的电流调节性能,并补偿电动机的变化和老化效应。简单的STEP / DIR界面允许外部控制器管理步进电机的方向和步进率。提供保护功能,用于电源欠压,电荷泵故障,过流,短路,开路负载和过热。

PMSM控制技术

为了实现高效率,在永磁同步电动机的控制中应用了称为矢量控制(FOC)的特殊矢量算法。该算法在用于产生磁场的部分和用于产生转矩的部分中分解定子电流。这种方法的优点是,分解后,可以分别控制两个组件。

在PMSM中,扭矩是由两个磁场的组合作用产生的:一个磁场用于定子,另一个磁场用于转子。磁通量决定作用在定子上的磁场,并因此由施加到定子的电流产生。转子上的磁场由永磁体产生的磁通量表示,因此可以认为是恒定的。当这两个磁场相互垂直时,由这两个磁场的组合作用产生的力(负责扭矩)将最大化。因此,目的是适当地控制定子电流,以使其产生垂直于转子磁体的矢量。

在电动机轴旋转期间,必须以一种方式连续更新施加到定子的电流,以使与定子磁通相关的矢量和与转子磁体的流动相关的矢量之间的角度始终等于90°。解决此问题的经典方法是使用基于微控制器的算法,该算法可连续调节定子电流的相位和幅度。

相位控制需要了解转子位置,通常是通过绝对位置传感器(旋转变压器)或相对位置传感器(编码器)获得的。在某些应用中,可以使用基于霍尔效应的磁性位置传感器作为替代方案。使用比例积分(PI)控制器可实现振幅控制,该控制器对诸如相电流,位置和电动机速度之类的变量起作用。

无传感器PMSM控制

有效的PMSM控制需要准确的转子位置信息,但是在某些应用中,使用外部传感器可能会对整个系统的可靠性和效率产生负面影响。在这种情况下,不是使用机械传感器(可直接测量曲轴位置),而是使用间接或估算的位置检测技术。用于估计转子位置的方法根据所用电动机的类型而变化很大。对于低转速,通常使用诸如频率注入和开环启动之类的机制。对于中高速,反电动势(BEMF)观察器技术通常用于检测电动机绕组中感应到的BEMF的过零点。

PMSM控制解决方案

意法半导体(ST)提供各种组件和评估板,以优化无刷直流PMSM电机控制系统。该器件具有高效率,降低噪声和延长使用寿命的特点,据说能够以低成本实现快速上市。例如,EVAL6393FB参考设计演示了如何使用两个L6393驱动器来通过全桥拓扑来驱动单相负载(图3)。该板具有优化的布局,可以通过施加总线电压和方向信号来运行。该驱动器可以提供150 W的输出功率(3.0 Arms时为50 V),具有较小的占位面积,并通过外部逻辑信号实现具有过流保护的PWM电压模式控制。

利用集成解决方案驱动电机设备

图3:EVAL6393FB低压全桥参考设计板(图片:意法半导体)

Infineon Technologies的XMC1000电动机控制应用套件提供了一个完整的硬件和软件平台,用于评估和开发基于Infineon的XMC1300系列微控制器的PMSM FOC无传感器系统。该套件适用于风扇,泵和电动自行车等目标终端应用,包括带有可拆卸SEGGER J-Link调试接口和PMSM低压15W电机卡的XMC1300 MCU板(图4)。

利用集成解决方案驱动电机设备

图4:XMC1000电机控制应用套件(图片:英飞凌)

该应用卡演示了电机控制算法,例如使用霍尔效应传感器进行模块换相,V/F控制以及使用XMC1300设备(包括基于英飞凌DAvE IDE的工具链)进行磁场定向控制。 PMSM LV15W配备了与XMC1300 CPU卡的2×30引脚连接,使用Infineon N通道双OptiMOS功率晶体管的三相低压全桥逆变器,带有过电流的栅极驱动器IC(6EDL04N02PR)检测电路,通过单路或三路分流器进行电流测量,以及通过霍尔传感器或正交编码器接口进行位置感测,适用于单端和差分信号。

当今使用的控制技术范围很广,从在直流和通用电动机中进行简单的电压和电流控制,到在交流电动机中使用逆变器,在步进电动机的复杂驱动序列中使用数字电路。电动机控制电路必须快速激活和停用电动机线圈中的电流,并且开关中的开关损耗或导通损耗最小。微电子器件可以帮助提供工业用途所需的精度和效率。

本文编译自powerelectronicsnews。

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