使用集成解决方案驱动电机设备

步进电机和永磁同步电机越来越多地服务于需要高效率和出色性能的控制应用。当前的电机控制技术包括使用微电子技术来改进对速度、位置和扭矩的控制，以及提高效率。

步进电机是能够将电脉冲转换为离散机械步骤的机电设备。当适当的电脉冲序列（强度和方向均随时间控制）应用于电机时，曲轴以离散的步数旋转。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。它们能够控制旋转角度、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。

永磁同步电机 (PMSM) 允许非常快速和精确的扭矩和速度控制，即使在操作瞬态期间也能确保最佳效率。它们卓越的性能归功于它们在整个速度范围内非常规律的旋转、零速度下的全扭矩控制以及高加速和减速值。PMSM 的应用众多，包括电器（洗衣机、洗碗机泵、冰箱和空调）、医疗设备（CPAP 和 VPAP 机、泵、轮椅）、电动汽车、自动售货机、自动取款机、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，两个线圈都带有未电气连接的中间抽头。通过为双线线圈对的一端供电而使流动反向，中间抽头用作公共极。单极步进电机的优势在于使用每相具有中间抽头的绕组；针对磁通量的每个方向激活绕组的每一侧。开关电路非常简单，因为该设备具有可以在不改变电流方向的情况下反转的磁极。然而，由于每个线圈只有一半被磁化，单极步进电机的磁力会降低，从而限制了可用的扭矩值。

双极步进电机类似于单极步进电机，但它们的线圈没有中间抽头。双极电机的驱动稍微复杂一些，通常基于能够反转绕组极性的 H 桥，从而反转磁通量。由于双极电机的每个绕组仅使用一个较大的线圈，因此绕组电阻较低，可以获得更高的扭矩值。

由于驱动电路的简单性，单极步进电机仍然在一些应用中使用，它只需要几个分立元件。然而，随着在减小电子元件尺寸和成本方面取得的进展，最近的步进应用倾向于使用双极步进电机。

驱动双极步进器

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，两相始终同时激活，电机始终提供额定扭矩。这种控制方式只需要四个方波信号，可由单片机PWM模块产生。占空比保持固定，持续时间等于单步。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，根据特定时间只激活一相或两相，电机在每个时钟脉冲前进半步。这种模式可以获得更高的位置值分辨率并消除不稳定性。然而，由于扭矩不会随时间保持恒定，因此半步解决方案会产生共振和振动现象。

驱动步进电机的另一种方式是波形驱动模式，其中在任何给定时刻只有一个相处于活动状态。设计人员很少选择这种模式，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，它可以提供非常高的分辨率值并通过恒流调节防止扭矩振荡。微步进驱动器通过遵循正弦曲线来增加或减少驱动电流，因此在任何时候，都不会完全关闭或打开极点。

所有驱动模式都可以使用标准逻辑电路来获取信号，但最常用的解决方案是基于专为控制步进电机而设计的集成电路。

图 1：L9942 框图（图片：STMicroelectronics）

目前市场上有几种 IC 可以驱动双极步进电机并实现微步进等高级功能。例如，STMicroelectronics 的 L9942 是一款用于双极步进电机的集成驱动器，具有微步和可编程电流曲线查找表 (LUT)。该器件包括两个用于最大 1.3 A 负载的全桥 (RDS(on) = 500 mΩ)，并且可以针对全步进、半步进或微步进模式操作进行编程（图 1）。该器件可以通过 SPI 接口和一些离散逻辑信号轻松地与微控制器连接。L9942 包含逻辑块，用于检测由机械负载过大引起的电机堵转，在这种情况下，负载电流的上升速度比正常操作期间快得多。

图 2：DRV8436/DRV8437 框图（图片：德州仪器）

德州仪器 (TI) 的 DRV8436 和 DRV8437 具有两个 N 沟道功率 MOSFET H 桥驱动器、一个微步进索引器和集成电流感应（图 2）。DRV8436/37 可以分别驱动高达 1.1 A 和 0.8 A 的输出。驱动器的内部电流检测架构无需两个外部功率检测电阻器，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整以获得最佳电流调节性能并补偿电机变化和老化影响。一个简单的 STEP/DIR 接口允许外部控制器管理步进电机的方向和步进速率。为电源欠压、电荷泵故障、过流、短路、开路负载和过热提供保护功能。

PMSM控制技术

为了实现高效率，在永磁同步电机的控制中应用了称为磁场定向控制 (FOC) 的特殊矢量算法。该算法将定子电流分解为用于产生磁场的部分和用于产生转矩的部分。这种方法的优点是，在分解之后，可以分别控制两个组件。

在 PMSM 中，扭矩是由两个磁场的联合作用产生的：一个磁场用于定子，另一个磁场用于转子。磁通量决定了作用在定子上的磁场，因此由施加到定子上的电流产生。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（负责扭矩）的联合作用产生的力最大。因此，目标是适当地控制定子电流，使其产生垂直于转子磁体的矢量。

在电机轴旋转期间，施加到定子的电流必须以这样的方式持续更新，即与定子磁通相关的矢量与与转子磁体流动相关的矢量之间的角度始终等于 90°。该问题的经典解决方案使用基于微控制器的算法，该算法连续调整定子电流的相位和幅度。

相位控制需要了解转子位置，通常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。在某些应用中，使用基于霍尔效应的磁性位置传感器作为替代。幅度控制是使用比例积分 (PI) 控制器实现的，该控制器作用于相电流、位置和电机速度等变量。

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，将使用间接或估计的位置检测技术而不是机械传感器（它提供曲轴位置的直接测量）。用于估计转子位置的方法因所使用的电机类型而异。对于低转速，频率注入和开环启动等机制很常见。对于中高速，反电动势 (BEMF) 观测器技术通常用于检测电机绕组中感应的 BEMF 的零交叉点。

PMSM 控制解决方案

STMicroelectronics 提供全系列的组件和评估板来优化无刷直流 PMSM 电机控制系统。这些器件具有高效率、低噪声和更长的使用寿命，据说能够以低成本快速上市。例如，EVAL6393FB 参考设计演示了如何使用两个 L6393 驱动器通过全桥拓扑驱动单相负载。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。该驱动器可提供 150 W（3.0 Arms 时为 50 V）的输出功率，占用空间更小，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。

英飞凌科技的 XMC1000 电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英飞凌 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 调试接口的 XMC1300 MCU 板和 PMSM 低压 15W 电机卡。

该应用卡展示了电机控制算法，例如使用霍尔效应传感器的块换向、V/F 控制和使用 XMC1300 器件的场定向控制，包括基于英飞凌 DAvE IDE 的工具链。PMSM LV15W 配备 2 × 30 引脚连接到 XMC1300 CPU 卡、使用英飞凌 N 沟道双 OptiMOS 功率晶体管的三相低压全桥逆变器、具有过电流的栅极驱动器 IC (6EDL04N02PR)检测电路，通过单或三分流器测量电流，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从直流和通用电机中的简单电压和电流控制到交流电机的逆变器和步进电机的复杂驱动序列的数字电路的使用。电机控制电路必须快速激活和停用电机线圈中的电流，同时将开关中的开关或传导损耗降至最低。微电子设备有助于为工业用途提供所需的精度和效率。

审核编辑：刘清