实现电机控制的高精度

介绍

电机控制和驱动器是许多应用的基础，因为它们可以获得高度的精度，进而转化为更低的成本和更高的效率。电机控制电路执行的重要功能是确保转子在不同的操作和负载条件下获得关于绕组的精确位置，从而以足够的精度确定 ts 位置。例如，如果连接到电机的负载发生变化，驱动器必须实时修改电机控制参数。这样，扭矩和转速满足特定应用的要求。

该解决方案的主要优点是完全采用固态技术制造，减少或可能消除对机械运动调节系统（如齿轮、滑轮和皮带）的依赖，其成本不可忽略。在需要高精度定位电机的应用中（例如机械臂、3D 打印机、CNC 机器等），通常与微步进等复杂控制算法结合使用的步进电机被成功采用。这种技术允许螺旋桨的出色定位，通过应用小数步增量获得，下降到（在某些特定情况下）1/32 步增量。这种技术不仅可以实现高精度，但它也提高了解决方案的效率并减少了电机低速运行时常见的共振现象。在电子工业中，贴片机被广泛使用。它们是真正的机器人，其任务是将组装所需的 SMD 组件定位在 PCB 上。此类应用需要高精度（数量级为微米），但也需要快速操作，以降低与 SMT 组装相关的成本。

高精度驱动系统

工业应用中使用的机器人系统，例如上面提到的拾放机，主要使用由交流电压 (AC) 供电的三相电机。图1显示了适用于所述车辆的电子控制电路的框图。使用二极管和稳压电容器将输入电压转换为直流电压 (DC)。一个专用的微控制器产生一个 PWM 信号，当应用于三相逆变器时，在输出端产生三个高频波形，并利用到相应的电机绕组。请注意图中存在从电机到微控制器的反馈信号。这些信号的任务是实时测量每相吸收的电流，使电路能够对负载条件的快速变化做出迅速响应。因此，发送到三相逆变器的 PWM 信号经过调节，以便为电机绕组提供正确的功率电平。作为微控制器的替代品，DSP 或 FPGA 解决方案更适合实现复杂的数字滤波算法。电子设计师必须面对的最大挑战之一是反馈电流和电压监控电路的设计。最有效的解决方案是监控所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能靠近信号源的数字形式。信号调制技术减少对其他高频指标的干扰，特别注意与时钟信号相关的PCB布局和走线的位置。最有效的解决方案是监控所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能靠近信号源的数字形式。信号调制技术减少对其他高频指标的干扰，特别注意与时钟信号相关的PCB布局和走线的位置。最有效的解决方案是监控所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能靠近信号源的数字形式。信号调制技术减少对其他高频指标的干扰，特别注意与时钟信号相关的PCB布局和走线的位置。

图 1：交流供电的三相感应电机控制框图

实现与图 1 类似的电路所需的电子元件包括：隔离式和非隔离式开关栅极驱动器、反馈信号转换器和用于实时控制的高速处理单元、可编程时钟发生器、DC/DC 转换器, 三相逆变器。

商业级解决方案

德州仪器 (TI)提供先进的解决方案，用于设计精确的电机控制和可靠的驱动器电子设备，包括高频氮化镓 (GaN) 栅极驱动器和模块。一个例子是TIDA-00915，这是一种用于集成驱动器的三相、1.25 千瓦、200 伏交流小外形 GaN 逆变器参考设计。如图 2 所示，参考设计是一款三相逆变器，在 50°C 和 85°C 时的连续额定功率分别为 1.25 kW 和 550 W，用于驱动 200V 交流伺服电机。它具有 600V LMG3411R150具有集成 FET 和栅极驱动器的 GaN 功率模块安装在 1.95mm 绝缘金属基板 (IMS) 板上，以实现高效散热。超小尺寸 (80 × 46 × 37 mm) 允许在带有机器人和 CNC 机器的 6 轴电机应用中轻松集成驱动器和电机。

图 2：TI TIDA-00915 参考板

Allegro Microsystems为电机控制应用提供多种电流传感器 IC，例如ACS720，一种高精度、基于霍尔效应的电流隔离电流传感器。该 IC 具有多个可编程故障级别，适用于工业和消费类应用，重点是电机控制和功率逆变器级应用。ACS720 采用小型表面贴装 SOIC16 封装，集成了差分电流感应，可抑制外部磁场，从而简化三相电机应用中的电路板布局。

Silicon Labs有多种解决方案，也是电机控制应用的理想选择。例如，Si828x隔离式栅极驱动器，适用于驱动各种逆变器和电机控制应用中使用的 IGBT 和碳化硅 (SiC) 器件。Si828x 器件是具有集成系统安全和反馈功能的隔离式大电流栅极驱动器。这些驱动器支持高达 5.0 kV RMS 和符合 UL1577 的耐受电压，与其他隔离式栅极驱动器技术相比，可实现更高的性能、减少随温度和老化的变化、更紧密的部件与部件匹配以及卓越的共模抑制。

 

审核编辑：刘清