Microelectronics的電機驅動器

步進電機和永磁同步電機越來越多地服務于需要高效率和出色性能的控制應用。當前的電機控制技術包括使用微電子技術來改進對速度、位置和扭矩的控制，以及更高的效率。

步進電機是能夠將電脈沖轉換為離散機械步進的機電設備。當適當的電脈沖序列（隨時間在強度和方向上都受到控制）施加到電機上時，曲軸會以離散的步數旋轉。步進電機是需要精確控制運動范圍的應用的理想解決方案。它們可以控制旋轉角度、速度、位置和同步。步進電機的主要優(yōu)點是它們不需要反饋機制；無需使用編碼器即可精確確定位移量。

永磁同步電機 (PMSM) 允許非常快速和精確的扭矩和速度控制，即使在運行瞬態(tài)期間也能確保最佳效率。它們的卓越性能是由于它們在整個速度范圍內非常有規(guī)律的旋轉、零速時的全扭矩控制以及高加速度和減速度值。PMSM 的應用眾多，包括電器（洗衣機、洗碗機泵、冰箱和空調）、醫(yī)療設備（CPAP 和 VPAP 機器、泵、輪椅）、電動汽車、自動售貨機、自動取款機、工業(yè)執(zhí)行器、風扇、泵, 和鼓風機。

單極和雙極步進電機

單極步進電機由兩個相同的線圈組成，兩個線圈都帶有未電氣連接的中間抽頭。通過為雙線線圈對的一端供電，使流動反向，中間抽頭用作公共極。單極步進電機的優(yōu)勢在于每相使用帶有中間抽頭的繞組。繞組的每一側都針對磁通量的每個方向被激活。開關電路非常簡單，因為該器件具有可以在不改變電流方向的情況下反轉的磁極。然而，由于每個線圈只有一半被磁化，因此單極步進電機的磁力減小，因此可用扭矩值受到限制。

雙極步進電機類似于單極步進電機，但它們的線圈沒有中間抽頭。雙極電機的驅動稍微復雜一些，通常基于能夠反轉繞組極性并因此反轉磁通量的 H 橋。由于雙極電機每個繞組僅使用一個較大的線圈，因此繞組電阻較低，可以獲得較高的扭矩值。

由于驅動電路的簡單性，單極步進電機仍然在多種應用中使用，只需要幾個分立元件。然而，隨著在減小電子元件的尺寸和成本方面取得的進展，最近的步進應用傾向于使用雙極步進電機。

驅動雙極步進

電機 驅動步進電機的兩種最常見模式是全步和半步。在全步模式下，兩相始終同時激活，電機始終提供額定扭矩。這種控制模式只需要四個方波信號，可由微控制器 PWM 模塊產生。占空比保持固定，持續(xù)時間等于一個步驟。根據初始階段，軸將順時針或逆時針旋轉。

半步模式稍微復雜一些。在這種情況下，根據特定時間僅激活一相或兩相，并且電機在每個時鐘脈沖處前進半步。這種模式可以獲得更高的位置值分辨率并消除不穩(wěn)定性。然而，由于扭矩不會隨時間保持恒定，因此半步解決方案會產生共振和振動現象。

驅動步進電機的另一種方式是波驅動模式，其中在任何給定時刻只有一個相位處于活動狀態(tài)。設計人員很少選擇這種模式，因為它效率低，并且相對于其他方法產生的扭矩值較低。

最后，還有第四種模式，微步進，它可以提供非常高分辨率的值，并通過恒流調節(jié)防止扭矩振蕩。微步進驅動器通過遵循正弦曲線曲線來增加或減少驅動電流，因此在任何時候都不會完全關閉或打開極點。

所有的驅動模式都可以使用標準的邏輯電路來獲取信號，但最常用的解決方案是基于專為步進電機控制而設計的集成電路。

圖 1：L9942 框圖（圖片：意法半導體）

當今市場上有多種 IC 可以驅動雙極步進電機并實現微步進等高級功能。例如，STMicroelectronics 的 L9942 是一款用于雙極步進電機的集成驅動器，具有微步進和可編程電流曲線查找表 (LUT)。該器件包括兩個全橋，最大負載為 1.3 A（R _DS(on) = 500 mΩ），并且可以編程為全、半或微步進模式操作（圖 1）。該器件可以通過 SPI 接口和一些離散邏輯信號輕松地與微控制器連接。L9942 包含邏輯塊，旨在檢測由過度機械負載引起的電機失速，在這種情況下，負載電流的上升速度比正常操作期間快得多。

圖 2：DRV8436/DRV8437 框圖（圖片：德州儀器）

Texas Instruments 的 DRV8436 和 DRV8437 具有兩個 N 通道功率 MOSFET H 橋驅動器、一個微步分度器和集成電流感應（圖 2）。DRV8436/37 可以分別驅動高達 1.1 A 和 0.8 A 的輸出。該驅動器的內部電流檢測架構無需兩個外部功率檢測電阻器，從而節(jié)省了 PCB 面積和系統(tǒng)成本。智能調諧衰減技術可自動調整以獲得最佳電流調節(jié)性能，并補償電機變化和老化效應。一個簡單的 STEP/DIR 接口允許外部控制器管理步進電機的方向和步進速率。為電源欠壓、電荷泵故障、過流、短路、開路負載和過熱提供保護功能。

PMSM 控制技術

為了實現高效率，稱為磁場定向控制 (FOC) 的特殊矢量算法應用于永磁同步電機的控制。該算法將定子電流分解為用于產生磁場的部分和用于產生轉矩的部分。這種方法的優(yōu)點是，在分解之后，兩個組件都可以單獨控制。

在 PMSM 中，扭矩由兩個磁場共同作用產生：一個用于定子，另一個用于轉子。磁通量決定了作用在定子上的磁場，因此由施加到定子的電流產生。轉子上的磁場由永磁體產生的磁通量表示，因此可以認為是恒定的。當兩個磁場相互垂直時，由這兩個磁場（對扭矩負責）的聯合作用產生的力最大。因此，目標是適當控制定子電流，使其產生垂直于轉子磁體的矢量。

在電機軸旋轉期間，施加在定子上的電流必須不斷更新，以使與定子磁通相關的矢量與與轉子磁體流動相關的矢量之間的角度始終等于 90°。該問題的經典解決方案使用基于微控制器的算法，該算法連續(xù)調整定子電流的相位和幅度。

相位控制需要了解轉子位置，通常通過絕對位置傳感器（旋轉變壓器）或相對位置傳感器（編碼器）獲得。在某些應用中，基于霍爾效應的磁性位置傳感器被用作替代方案。幅度控制是使用比例積分 (PI) 控制器實現的，該控制器作用于相電流、位置和電機速度等變量。

無傳感器 PMSM 控制
高效的 PMSM 控制需要準確的轉子位置信息，但在某些應用中，使用外部傳感器可能會對整個系統(tǒng)的可靠性和效率產生負面影響。在這種情況下，使用間接或估計的位置檢測技術代替機械傳感器（提供曲軸位置的直接測量）。用于估計轉子位置的方法因使用的電機類型而異。對于低轉速，頻率注入和開環(huán)啟動等機制很常見。對于中速和高速，反電動勢 (BEMF) 觀測器技術通常用于檢測電機繞組中感應的 BEMF 的過零點。

PMSM 控制解決方案
STMicroelectronics 提供全系列組件和評估板，以優(yōu)化無刷直流 PMSM 電機控制系統(tǒng)。這些器件具有高效率、低噪音和延長壽命的特點，據說能夠以低成本快速上市。例如，EVAL6393FB 參考設計演示了如何使用兩個 L6393 驅動器通過全橋拓撲驅動單相負載（圖 3）。該板具有優(yōu)化的布局，可以通過施加總線電壓和方向信號來運行。該驅動器可提供 150 W（3.0 Arms 時為 50 V）的輸出功率，占用空間更小，并通過外部邏輯信號實現具有過流保護的 PWM 電壓模式控制。

圖 3：EVAL6393FB 低壓全橋參考設計板
（圖片：意法半導體）

英飛凌科技的 XMC1000 電機控制應用套件提供了一個完整的硬件和軟件平臺，用于評估和開發(fā)基于英飛凌 XMC1300 系列微控制器的 PMSM FOC 無傳感器系統(tǒng)。該套件適用于風扇、泵和電動自行車等目標終端應用，包括一個帶有可拆卸 SEGGER J-Link 調試接口的 XMC1300 MCU 板和一個 PMSM 低壓、15W 電機卡。

審核編輯：劉清