德州仪器搭台，寻宝电机控制方案运动大家一起來！

　　作为工业控制领先芯片方案厂商，德州仪器为 AC 感应电机 （ACIM）、刷式直流电机、无刷直流电机 （BLDC）、永久磁性同步电机和步进电机等各类电机，寻找合适的模拟和数字产品、软件和支持，以精确控制位置、速度和扭矩等关键工业应用实现最佳解决方案。想了解关于电机驱动方面的最新算法和最理想的方案吗？想为您的电机驱动找到更合适的方案以适应工业自动化系统的新挑战吗？赶快报名参与电子发烧友网举办的赛灵思研讨会——取代传统MCU方案:用All Programmable技术提升工业自动化系统的效率和性能，内容精彩，绝对不容错过！

　　TI 是全球市场领导者，其利用先进的电机控制专业技术方面的丰富经验，并结合模拟和嵌入式处理产品系列，可提供完整的电机系统解决方案。选择 TI，因为我们具有丰富的电机专业技术、广泛的选择范围，以及全面的支持，可为您提供高效、可靠和经济的驱动和控制解决方案。

 

　　TI 提供了广泛系列的模拟产品、数字控制器和软件，可精确控制机械驱动装置的位置、速度和扭矩。电机控制和驱动解决方案适用于小型驱动，包括螺线管、DC 或无刷 DC 及步进；也适用于大型驱动，如利用较高电压（通常数百伏）的 AC 开环和闭环系统。按电机类型查看解决方案。

　　DRV8x 集成电机驱动器系列 使客户能够快速轻松地旋转电机，从而加快了上市时间并显著简化了设计。通过集成闸极驱动电路、感应放大器、保护、FETS、行业标准控制界面和驱动算法等，设计的复杂程度、电路板面积和旋转电机的时间都显著减少。借助过流保护、热保护、击穿保护和欠压保护等片上保护，DRV8x 系列很强大、可靠且受到全面保护。

　　除了提供适用于各种电机控制应用的高性能模拟和混合信号器件，TI 还提供高性能、超低功耗微处理器以应对每个设计挑战。TI C2000™ 微控制器系列结合了高性能和实时控制，可提供针对电机控制的强大单芯片解决方案。MSP430F54xx 系列具有功能强大的 16 位 RISC CPU、16 位寄存器以及丰富的内置精密模拟外设集，旨在实现最高的代码效率。最后，TI Stellaris 系列的 ARM® Cortex™-M3 微处理器具有确定性性能和专为同步高级运动控制和实时连接设计的目标功能，包括高速运动控制 PWM、QEI、快速 ADC 和多个定时器，以及超快处理器速度、大量内存选项和多种通信接口。

　　为您提供有创新设计参考价值下载资料：德州仪器电机驱动与控制解决方案指南

　　电机驱动和控制解决方案信号链

 

　　电机驱动和控制解决方案产品

　　特色电机控制工具和软件

　　接下来会分别介绍德州仪器：AC 感应电机，刷式直流电机，无刷直流 （BLDC） ，永久磁性同步电机 （PMSM） ，步进电机简介及相关方案。

　　一、电机控制 - AC 感应电机 （ACIM） 概述

　　AC 感应电机 （ACIM） 是消费电子类应用和工业应用中最受欢迎的电机，代表了工业革命的力量。十九世纪末，Nicola Tesla 首次构想出“无火花”电机的概念，即由两个静态相位以正交关系构成的多相结构。自此以来，又改为更为常用的 3 相结构，实现了电机电压和电流的平衡操作。

　　该电机没有刷式直流电机那样的刷子/换向器结构，不会产生火花相关的问题，如电噪声、刷子磨损、摩擦高和可靠性差等。转子和定子结构中磁性的消失进一步增强了可靠性，也降低了制造成本。在高功率应用中（如 500 HP 和更高应用），AC 感应电机是现有最高效的电机，可以达到 97% 或更高的效率额定值。但在轻载条件下，产生转子磁通所需的正交磁流占定子电流的很大部分，导致效率降低、功率因数操作较差。

　　ACIM 使用正弦电压和电流驱动时表现最佳。ACIM 的优点之一是能通过低扭矩纹波实现难以置信的顺畅操作。为了实现此目的，多数 ACIM 包含开槽定子结构，其中绕线按正弦绕线分布置于槽中，从而在气隙中呈现正弦磁通分布。此磁通也连接转子绕组，转子绕组的两端短接铜棒或铝棒，并安装在软铁或其它铁基材料组成的堆栈式层压结构上。在大多数情况下，降低转子棒的电阻可以提高电机效率。随着这些导体中的磁通减少，转子棒中将施加 d-flux/dt 电压，从而在转子中产生电流。换言之，电流从定子电路感应到转子电路，与从标准变压器的初级线圈感应二次电流差不多。此转子电流会产生自己的磁通，并与定子 mmF 交互产生扭矩。但是，为了在转子棒上实现 d-flux/dt 效应，转子不能以定子磁场相同的旋转速度旋转。因此，感应电机归类为异步电机。定子磁通矢量与转子之间的转速差异称为转差。随着电机轴所需扭矩增加，转差率也会增加。总之，电机速度是定子极数、电机扭矩（最终为电机转差）和 AC 输入电压频率的函数关系。

　　3 相拓扑是变速应用的理想选择。3 相转换器的常用方法如图所示，只需改变所应用波形的电压和频率（开环 V/Hz 或标量控制），即可控制电机速度。在扭矩环路周围回绕速度环路来采用场定向控制 （FOC），也可控制速度。前者可以通过经济的器件（如 MSP430）轻松实现，但 FOC 更适合强大的 32 位处理器（如 TI C2000 处理器）。

　　AC 感应电机也有单相版本。多数单相版本实际上具有双相，其中一个相位用于帮助启动电机。一旦电机达到一定速度，该相位断开，这样电机就只在一个相位上运行。

　　AC 感应电机 （ACIM） 系统的方框图 （SBD），它具有微处理器、闸极驱动器、隔离器件、工业接口和电源管理。

　　

AC 感应电机

　　设计注意事项

　　AC 感应电机概述

　　AC 感应电机 （ACIM） 是消费电子类应用和工业应用中最受欢迎的电机。此电机高度可靠，设计简单，其没有刷子，因此不存在磨损，并且制造成本极低。另一重要特性是转子不会产生任何移动接触，因此不会产生火花。但是，ACIM 与其它电机类型相比，效率较低。

　　ACIM 速度取决于 AC 输入电压的频率和定子绕线中的极数。AC 感应电机提供单相和三相版本；三相是变速应用的理想选择。

　　微处理器

　　TI 的 Stellaris® C2000™ 以及 Hercules® 微处理器 （MCU） 系列非常适合于控制 AC 感应电机。所有这些 MCU 系列均可用于实施标量或矢量控制技术。

　　C2000 MCU 适用于实时操作并具有高分辨率脉宽调制器 （PWM），可对闸极驱动器进行精确控制。双采样保持、12 位、高速模数转换器 （ADC） 可对任何传感器输入进行高精度采样。

　　高性能 PWM 和 ADC 相结合可确保低扭矩纹波和高效电机控制。功能强大的 C2000 MCU 内核架构可快速执行数学算法，并通过矢量控制控制电机。

　　Stellaris MCU 基于广泛使用的 ARM Cortex M3 内核并具有所有与电机控制相关的集成板载外设。Stellaris MCU 具有 10 位 ADC 和电机控制特定的 PWM，可为电机提供高效控制。板载通信外设（例如 USB 和以太网）启用 MCU 用作联网控制器，也可执行电机控制。

　　Hercules 安全 MCU 是基于广泛使用的 ARM Cortex R4 内核，设计为简化开发和认证的安全关键型系统。Hercules MCU 具有多达 2 个 12 位 ADC。灵活的 HET 协处理器具有特定于电机控制的 PWM，可为电机提供高效控制。板载通信外设（例如，启用 MCU 用作可同时执行安全电机控制的安全联网控制器的 USB、以太网和 CAN）。

　　隔离

　　TI 数字隔离器具有逻辑输入和输出缓冲器，这些缓冲器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔离势垒进行隔离，可提供 4kV 隔离。当与隔离电源配合使用时，这些器件可阻止高电压、隔离接地以及防止噪声电流进入本地接地并干扰或损害敏感电路。

　　接口/连接

　　传统模拟 RS-232/RS-485 接口一直是电机控制应用的常见选择。展望未来，设计人员将在其产品中集成主流接口，如以太网、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同时为传统和新兴工业接口提供解决方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔离式 CAN 收发器 ISO1050。

　　电源管理

　　德州仪器 （TI） 提供从标准 IC 到高性能插件、变压器、数字电源 MOSFET 和集成电源模块的电源管理 IC 解决方案。

　　从 AC/DC 和 DC/DC 电源、线性稳压器和非隔离式开关 DC/DC 稳压器到 PMIC 和电源及显示解决方案，德州仪器 （TI） 的电源管理 IC 解决方案都能帮助您完成项目开发。
 

　　二、电机控制 - 刷式直流电机概述

　　刷式直流电机是现有历史最久的电机拓扑之一。它们将固定刷子安装在定子机座上，摩擦转子上的换向片，而后者又连接至旋转的线圈段。随着电机旋转，不同转子线圈不断连接和断开，这样转子产生的净磁场相对于定子机座就是固定的，且通过定子磁场正确定向，从而产生扭矩。当换向片旋转过刷子时，这些特定转子线圈段的电触头将会断开。由于转子线圈是电感的，而电感器生成高回扫电压来抵抗电流变化，因此刷子和断开的换向片之间会产生火花。这些火花会导致很多负面结果，如电噪声、效率降低，以及某些情况下的危险操作。此外，刷子必须安装弹簧来抵抗换向片，以确保电接触良好。这进一步降低了效率，需要定期维护更换刷子。

　　尽管有诸多劣势，但刷式直流电机有一显著优势：成本。由于控制刷式直流电机相对简单，因此还广泛用于系统成本是主要驱动因素的应用中。在使用永久磁性生成定子磁通的拓扑中，产生的速度/扭矩曲线非常有线性特征。因此，刷式直流电机历来常用于工业伺服应用，速度和扭矩分别与所应用的电压和电流成正比。但是，半导体器件的跌价使得电源转换和控制的成本降低。因此，许多直流电机被交流电机所取代，后者带来了效率和可靠性提高等优势。

　　刷式直流电机的主题多种多样，如直流并联电机和通用电机，两者都使用定子线圈代替永久磁性。在直流并联电机中，定子线圈与转子电路并联；而在通用电机中，定子线圈与转子串联。通用电机在家电应用中尤其常用，因为它具有高启动扭矩，可以高速运行。只需添加串联晶闸管并进行交流相位控制，便可轻松对通用电机进行速度控制。但是，刷子/换向器结构常见于这些电机类型，因此它们具有标准 PM 刷式直流电机相同的劣势。

　　方框图

　　刷式直流电机系统的方框图 （SBD），它具有微处理器、闸极驱动器、隔离器件、工业接口和电源管理。

　　

　　

　　刷式直流电机

　　设计注意事项

　　刷式直流电机概述

　　刷式直流电机使用刷子进行换向。电枢或转子具有绕线，可端接至换向器。刷子通过形成或断开接触为电枢提供电源。

　　定子可能具有两个或更多永久磁性；相反的定子磁性极性和激磁绕线异极相吸，导致转子旋转。当转子与定子位置对齐时，刷子将跨越换向器并驱动下一个绕线。

　　刷式直流电机需要维护并具有线性扭矩/电流曲线。这些电机易于控制，其速度和扭矩与电流和电压成正比。

　　微处理器

　　具有 4 个脉宽调制器 （PWM） 信号的任何 MCU 系列均可以用于驱动连接到刷式直流电机的 H 桥 DC/DC 转换器。根据控制算法的复杂性，反馈控制可能使用霍尔传感器或编码器。

　　鉴于其在工作模式和休眠模式中的超低功耗操作功能，TI 的 MSP430 可以成为控制低端、电池供电的刷式直流电机系统的理想选择。

　　C2000™ 和 Stellaris® MCU 具有 QEI 输入，可接受编码器输入。Hercules® MCU 可通过灵活的 HET 协处理器接收编码器输入。如果需要高性能和实时操作，C2000 MCU 系列就是最佳选择。C2000 或 Stellaris MCU 可满足中端系统要求。Hercules MCU 是系统需要基于 IEC61508 等安全标准认证时的首选并可支持各种性能需求。

　　隔离

　　TI 数字隔离器具有逻辑输入和输出缓冲器，这些缓冲器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔离势垒进行隔离，可提供 4kV 隔离。

　　当与隔离电源配合使用时，这些器件可阻止高电压、隔离接地以及防止噪声电流进入本地接地并干扰或损害敏感电路。

　　接口/连接

　　传统模拟 RS-232/RS-485 接口一直是电机控制应用的常见选择。展望未来，设计人员将在其产品中集成主流接口，如以太网、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同时为传统和新兴工业接口提供解决方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔离式 CAN 收发器 ISO1050。

　　电源管理

　　德州仪器 （TI） 提供从标准 IC 到高性能插件、变压器、数字电源 MOSFET 和集成电源模块的电源管理 IC 解决方案。

　　从 AC/DC 和 DC/DC 电源、线性稳压器和非隔离式开关 DC/DC 稳压器到 PMIC 和电源及显示解决方案，德州仪器 （TI） 的电源管理 IC 解决方案都能帮助您完成项目开发。

 

　　三、电机控制 - 无刷直流 （BLDC） 电机

　　无刷直流 （BLDC） 电机可以想象成与刷式直流电机截然相反，其中永久磁性在转子上，而绕线在定子上。因此，该电机没有刷子和换向器，消除了与刷式直流电机产生火花相关的劣势。

　　该电机被称为直流电机，是因为其线圈通过直流电源驱动，而直流电源是按预定顺序的形式应用到不同的定子线圈。这一过程称为换向。但是，BLDC 并不恰当，因为该电机实际上属于交流电机。在电路循环过程中，每个线圈中的电流正负交替。定子一般是凸极结构，旨在产生梯形反电动势波形，尽可能符合所应用的换向电压波形。但是实际上很难做到，产生的反电动势波形通常更像正弦，而非梯形。因此，PMSM 电机使用的许多控制技术（如场定向控制）同样适用于 BLDC 电机。

　　对 BLDC 电机的另一个误解是关于其如何驱动。不同于开环步进应用中驱动的定子线圈决定转子位置，在 BLDC 电机中，转子位置决定要驱动哪个定子线圈。定子磁通矢量位置必须与转子磁通矢量位置保持同步（而非相反），以使电机操作顺畅。要实现这一目的，需要了解转子位置来确定要驱动的定子线圈。现有多种技术可实现这一目的，但最常用的技术是使用霍尔效应传感器监控转子位置。遗憾的是，这些传感器及其相关连接器和线束会增加系统成本，并降低可靠性。

　　为减少这些问题，已有多种技术开发出来用于消除这些传感器，进而实现无传感器操作。多数技术依靠在电机旋转时，从定子绕线的反电动势波形中提取位置信息。但是，依靠反电动势传感的技术在电机旋转缓慢或静止时便无用武之地，因为此时反电动势波形很弱或根本不存在。因此，我们不断开发新技术，以在低转速或零转速时从其它信号中获取转子位置信息。

　　BLDC 电机在效率额定值方面占绝对优势，一般可达到 95% 左右。当前对新非晶合金材料的研究正在将这一数字推向新高。已有报道称 100W 范围内效率为 96%。BLDC 电机还在争夺“世界最快电机”之称，部分电机速度可达到数十万 RPM（其中一项应用中已报道 400K RPM）。

　　最常用的 BLDC 电机拓扑使用 3 相定子结构。因此，标准的 6 晶体管反向器是最常用的功率级，如图所示。根据运行要求（含传感器与 无传感器、换向与 正弦、PWM 与 SVM 等），有很多方法可驱动晶体管来达到所需目标，不胜枚举。这对一般位于微处理器中的 PWM 发生器的灵活性提出了极高要求。好消息是，TI 的电机控制处理器可轻松满足这些要求。

　　方框图

　　无刷直流电机 （BLDC） 系统的方框图 （SBD），它具有微处理器、闸极驱动器、隔离器件、工业接口和电源管理。

　　

　　

　　无刷直流电机 （BLDC）

　　设计注意事项

　　无刷直流 （BLDC） 电机概述

　　无刷直流电机具有定子绕线和永久磁性转子。绕线连接到控制电子，且电机内部没有刷子和换向器。电子类似于换向器驱动适当的绕线；在围绕定子旋转的移动模式中驱动绕线。驱动的定子绕线引导转子磁性。

　　BLDC 电机效率更高，运行更快更安静，需要电子以控制旋转场。BLDC 电机制造成本更低，易于维护。

　　驱动 BLDC 电机需要三相反向器。反向器包含三个半 H 桥，使用辅助信号控制其高位和低位开关。在关闭高侧开关和开启低侧开关之间保有延迟是非常重要的。这将消除潜在的开关短路。

　　微处理器

　　TI 的 C2000™ 系列 MCU 可以通过使用标量或矢量控制技术控制 BLDC 电机。了解转子位置对于高效控制 BLDC 电机非常重要。通过连接至电机的霍尔传感器或旋转式编码器能够检测到转子的位置。这些传感器输入用于含传感器的反馈控制系统。

　　转子位置还可通过使用反电动势电压信息进行估算。此反馈控制模式无需使用传感器和附加接线。位置或度评估器也可用于计算转子位置。

　　C2000 MCU 上的集成高速 12 位 ADC 转换器、高分辨率脉宽调制器 （PWM） 和正交编码器输入 （QEI） 使其适合于实施 BLDC 电机控制。C2000 MCU 内核能够在短时间内执行复杂的数学函数，使此 MCU 系列成为实施矢量控制技术和同时控制多个电机的理想选择。此系列的 PWM 具有可编程死区延迟，可驱动高侧和低侧闸极驱动器。C2000 MCU 还可通过使用梯形或正弦控制驱动 BLDC 电机。

　　Stellaris® 系列 MCU 向偏爱开放式构架内核的客户提供基于 ARM 的解决方案。这些 MCU 还为传感器的控制提供集成 ADC、电机控制特定的 PWM 和 QEI 输入。其基于硬件的故障检测系统可更快地关闭系统，无需软件干预。这些 MCU 也可用于实施标量和矢量控制技术。

　　MSP430 器件基于 16 位 RISC 架构，在工作模式和休眠模式中具有超低功耗操作功能。通过使用接受较低性能的标量技术，这些 MCU 可用于 BLDC 电机控制。集成驱动器可配置为 PWM 输出并可通过梯形控制控制闸极驱动器。

　　Hercules® 安全 MCU 可提供基于 ARM Cortex-R4f 的解决方案并被认证为适合用于需要实现 IEC61508 SIL-3 安全级别的系统中。这些 MCU 还可通过灵活的 HET 协处理器提供集成浮点、12 位 ADC、特定于电机控制的 PWM 及编码器输入。Hercules 安全 MCU 还可用于实施标量和矢量控制技术并支持各种性能需求。

　　隔离

　　TI 数字隔离器具有逻辑输入和输出缓冲器，这些缓冲器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔离势垒进行隔离，可提供 4kV 隔离。

　　当与隔离电源配合使用时，这些器件可阻止高电压、隔离接地以及防止噪声电流进入本地接地并干扰或损害敏感电路。

　　接口/连接

　　传统模拟 RS-232/RS-485 接口一直是电机控制应用的常见选择。展望未来，设计人员将在其产品中集成主流接口，如以太网、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同时为传统和新兴工业接口提供解决方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔离式 CAN 收发器 ISO1050。

　　电源管理

　　德州仪器 （TI） 提供从标准 IC 到高性能插件、变压器、数字电源 MOSFET 和集成电源模块的电源管理 IC 解决方案。从 AC/DC 和 DC/DC 电源、线性稳压器和非隔离式开关 DC/DC 稳压器到 PMIC 和电源及显示解决方案，德州仪器 （TI） 的电源管理 IC 解决方案都能帮助您完成项目开发。

　　四、电机控制 - 永久磁性同步电机 （PMSM）

　　永久磁性同步电机 （PMSM） 可以看做 AC 感应电机和无刷直流电机 （BLDC） 的交叉产品。它们具有与 BLDC 电机相似的转子结构，其中包含永久磁性。但是，它们的定子结构类似于 ACIM“表亲”的定子结构，其中绕线的构建方式可在机器气隙中形成正弦磁通密度。因此，使用正弦波形驱动时运行最佳。但不同于 ACIM “亲缘产品”，PMSM 电机在使用开环标量 V/Hz 控制时运行较差，因为瞬态条件下没有提供机械阻尼的转子线圈。场定向控制是 PMSM 最常使用的控制技术。因此，扭矩纹波可以极低，这与 ACIM 不分伯仲。但是，较之 ACIM，同等大小的 PMSM 电机可提供更高的功率密度。这是因为对于感应电机，部分定子电流需要“感应”转子电流来产生转子磁通。这些附加电流会在电机内部产生热量。但在 PMSM 中，转子磁通已通过转子上的永久磁性建立。

　　多数 PMSM 利用转子表面安装的永久磁性。这使得电机呈现“圆”磁场，而电机扭矩是转子磁性和定子电磁之间反作用力的结果。这样，将典型 FOC 应用的直轴电流调节为 0，可使最佳扭矩角为 90 度。但部分 PMSM 的磁性埋在转子结构内。这些电机被称为“内藏式永久磁性电机”或 IPM 电机。因此，特定空间角度的径向磁通较其它角度更集中。这便产生了名为“磁阻扭矩”的附加扭矩分量，它是由集中和非集中磁通路径的电机电感变化引起的。这使得最佳 FOC 扭矩角大于 90 度，需要将直轴电流调节为交轴电流固定的负比率。该负直轴电流也会导致磁场变弱，从而降低直轴的磁通密度，反过来减少部分磁芯损耗。因此，IPM 电机对于给定帧大小可提供更高的电源输出。这些电机逐渐成为混合电动汽车、电器和 HVAC 变速应用的牵引电机。

　　IPM 电机展现出的凸极还为无传感器控制应用提供了额外优势。在许多情况下，凸极信号的强度足以用来确定静止和低速运行状态下的转子位置。有些无传感器 FOC 设计在低速时使用凸极映射，然后转换为电机加速时的反电动势查看器模型。

　　方框图

　　永久磁性同步电机 （PMSM） 系统的方框图 （SBD），它具有微处理器、闸极驱动器、隔离器件、工业接口和电源管理。

　　

　　

　　永久磁性同步

　　设计注意事项

　　永久磁性同步电机 （PMSM） 概述

　　永久磁性同步电机 （PMSM） 与 AC 感应电机或无刷直流电机 （BLDC） 非常相似。它们都具有永久磁性转子和绕线定子。

　　PMSM 电机通常使用正弦波形控制，而 BLDC 电机通常使用梯形信号控制，梯形信号也称为六步换向。

　　PMSM 的正弦控制效率很高，电机操作顺畅，可最大程度地减少震动并降低噪声。对 PMSM 电机使用场定向控制 （FOC） 技术还可最大程度地减少系统生成的扭矩纹波和电磁干扰。PMSM 电机就大小与 AC 感应电机 （ACIM） 相比时，可提供更高的功率密度。

　　微处理器

　　TI 的 C2000™ 系列 MCU 可以通过使用标量或矢量控制技术控制 PMSM 电机。了解转子位置对于高效控制 PMSM 电机非常重要。通过连接至电机的霍尔传感器或旋转式编码器能够检测到转子的位置。这些传感器输入用于含传感器的反馈控制系统。

　　转子位置还可通过使用反电动势电压信息进行估算。此反馈控制模式无需使用传感器和附加接线。位置或速度评估器也可用于计算转子位置。

　　C2000 MCU 上的集成高速 12 位 ADC 转换器、高分辨率脉宽调制器 （PWM） 和正交编码器输入 （QEI） 使其适合于实施 PMSM 电机控制。C2000 MCU 内核能够在短时间内执行复杂的数学函数，使此 MCU 系列成为实施矢量控制技术和同时控制多个电机的理想选择。此系列的 PWM 具有可编程死区延迟，可驱动高侧和低侧闸极驱动器。

　　Stellaris® 系列 MCU 向偏爱开放式构架内核的客户提供基于 ARM 的解决方案。这些 MCU 还为传感器的控制提供集成 ADC、特定于电机控制的 PWM 和 QEI 输入。其基于硬件的故障检测系统可更快地关闭系统，无需软件干预。这些 MCU 也可用于实施标量和矢量控制技术。

　　隔离

　　TI 数字隔离器具有逻辑输入和输出缓冲器，这些缓冲器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔离势垒进行隔离，可提供 4kV 隔离。当与隔离电源配合使用时，这些器件可阻止高电压、隔离接地以及防止噪声电流进入本地接地并干扰或损害敏感电路。

　　接口/连接

　　传统模拟 RS-232/RS-485 接口一直是电机控制应用的常见选择。展望未来，设计人员将在其产品中集成主流接口，如以太网、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同时为传统和新兴工业接口提供解决方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔离式 CAN 收发器 ISO1050。

　　电源管理

　　德州仪器 （TI） 提供从标准 IC 到高性能插件、变压器、数字电源 MOSFET 和集成电源模块的电源管理 IC 解决方案。从 AC/DC 和 DC/DC 电源、线性稳压器和非隔离式开关 DC/DC 稳压器到 PMIC 和电源及显示解决方案，德州仪器 （TI） 的电源管理 IC 解决方案都能帮助您完成项目开发。

　　五、电机控制 - 步进电机

　　步进电机是电机家族的“婴儿”，20 世纪 60 年代早期才开始流行。最初构想是作为昂贵的位置控制应用中伺服电机的低成本替代产品，而新兴的计算机工业迅速将其采用到外设应用当中。步进电机的主要优势在于能提供开环位置控制，而成本只是需要反馈的伺服系统的几分之一。在过去，步进电机有时被误称为“数字”电机，因为它们常用正交方波驱动。但是，对这些电机的这种狭隘看法常常会在以后的项目开发过程中导致大难题。步进电机像其它磁“模拟”电机一样产生扭矩。多数步进电机的阻尼因数很低，导致一定步频下的欠阻尼运行和对谐振问题的敏感度。这些问题常常使步进电机比其它电机拓扑更难对付。

　　多数步进电机采用双凸极设计，转子和定子结构上均有齿。如同 BLDC 或 PMSM 电机，永久磁性位于转子上，电磁包含在定子中。多数设计包含 2 个定子相位，由正交相位信号独立驱动。驱动这些相位有许多方法，包括全步进、半步进或微步进，取决于使用的控制技术。每种情况下都会确定子磁通矢量，转子上的磁性将尝试与该矢量保持一致。由于转子和定子的齿数不同，产生的移动或步进可能极小。对齐之后，定子电流立即按这种方式发生变化，以增加定子磁通矢量角度，从而使电机移动到下一个步进。由于多数应用中没有位置反馈，转子磁通可以与定子磁通保持一致，这会产生无助于电机运行的定子电流。因此，步进电机没有其它常用电机那样有效。

　　由于多数步进电机的步进角相对较小，因此不是高速应用的最佳选择。某些应用需要定子电流来完全更改每个步进的极性。与定子线圈关联的电感通常会阻止这种变化，电流达到新水平需要一段时间。步频较高时，电流再次变化之前可能无法完全达到稳定状态值。因此，驱动相位的电压必须以更快的速度增加，以使电流变化更快。但最终会达到增益递减点，此时就无法再进行高速运行。

　　如前所述，步进设计因其固有的低阻尼因数，常常受到共振问题的困扰。这会增加可闻噪声，严重情况下还会导致错误步进。为了消除这些问题（并增加步进分辨率），步进绕线通常使用正弦波形驱动，而非方波。这时，电机称为微步进。在微步进应用中驱动步进的一种常用方法是，将每个线圈置于单独的 H 桥电路中，然后利用处理器中的 PWM 调节正弦波形。但设计者必须记住，增加步进分辨率不一定会增加步进精度，尤其是在开环应用中。这由两个因素造成：

　　实际与 指令转子位置将受到电机负载影响，如步进的静态扭矩曲线所示。实际轴角可以与指令步进角相差几个微步进，具体取决于扭矩负载。

　　步进角精度还受制造转子和定子结构的电机设计和容限的影响。用于微步进应用的步进电机制造标准较高，因此较为昂贵。但是，微步进仍常常与便宜的步进电机配合使用，仅为提高共振敏感度。

　　方框图

　　步进电机系统的方框图 （SBD），它具有微处理器、闸极驱动器、隔离器件、工业接口和电源管理。

　　

　　

　　步进电机

　　设计注意事项

　　步进电机概述

　　步进电机安装有带永久磁性的转子，而定子至少具有两个绕线。当转子磁性与定子绕线保持一致时，将驱动第二个绕线。两个绕线交替开启和关闭，这将导致电机锁定在想要的步进位置。通过绕线的电流方向还可反向。

　　在带有两个定子绕线的步进电机中，有四个步进以 90° 隔开。根据向定子绕线提供的脉冲，可精确控制步进电机移动的步进。

　　步进电机的速度控制可通过向绕线提供脉冲频率实现，而旋转方向可通过反向脉冲序列进行更改。电机内部的极片有许多齿，有助于定位相对于定子的转子位置。一些步进电机的定子级也有齿。

　　根据使用的控制技术，可全步进、半步进或微步进控制步进电机。简单的方形脉冲可以控制处于全步进的电机，而先进控制技术（如脉宽调制 （PWM））可用于微步进。

　　微处理器

　　基本 MSP430 MCU 与步进控制驱动器 IC（如 DRV8412）配合使用，能够以极低的成本提供全步进或高达 16 个微步进。更复杂的步进电机控制可通过 Stellaris® 或 C2000™ MCU 实现。板载外设（如 ADC 和 PWM）创建高度集成的解决方案，可满足步进电机的所有应用要求。

　　接口/连接

　　传统模拟 RS-232/RS-485 接口一直是电机控制应用的常见选择。展望未来，设计人员将在其产品中集成主流接口，如以太网、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同时为传统和新兴工业接口提供解决方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔离式 CAN 收发器 ISO1050。

　　电源管理

　　德州仪器 （TI） 提供从标准 IC 到高性能插件、变压器、数字电源 MOSFET 和集成电源模块的电源管理 IC 解决方案。

　　从 AC/DC 和 DC/DC 电源、线性稳压器和非隔离式开关 DC/DC 稳压器到 PMIC 和电源及显示解决方案，德州仪器 （TI） 的电源管理 IC 解决方案都能帮助您完成项目开发。

-------------------------------------------------------------------------
想了解关于电机驱动方面的最新算法和最理想的方案吗？想为您的电机驱动找到更合适的方案以适应工业自动化系统的新挑战吗？赶快报名参与电子发烧友网举办的赛灵思研讨会——取代传统MCU方案:用All Programmable技术提升工业自动化系统的效率和性能，内容精彩，绝对不容错过！