伺服自動(dòng)化的直流電機(jī)控制

該直流電動(dòng)機(jī)廣泛用于伺服自動(dòng)化和機(jī)器人的領(lǐng)域。電動(dòng)機(jī)的工作原理基于兩個(gè)相互吸引和排斥的磁場的相互作用。

直流電機(jī)的兩個(gè)基本部分是轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)）和定子（固定）。定子是一個(gè)磁場電感器，而轉(zhuǎn)子是受磁場影響的元件，由稱為電樞的電路表示。在這兩個(gè)元件之間，有一層薄薄的空氣，稱為“氣隙”。

定子必須產(chǎn)生盡可能均勻的磁場。轉(zhuǎn)子由薄片鐵制成，由可移動(dòng)薄片組成，這些薄片被絕緣體隔開以增加電阻，從而減少磁化引起的寄生電流。

兩種最常見的直流電機(jī)類型稱為有刷和無刷 (BLDC)。BLDC 表示無刷永磁電機(jī)。與有刷直流電機(jī)不同，它不需要在電機(jī)軸上滑動(dòng)的任何電觸點(diǎn)即可運(yùn)行。

在有刷電機(jī)中，電刷與轉(zhuǎn)子上的電觸點(diǎn)的機(jī)械接觸閉合了電源和轉(zhuǎn)子繞組之間的電路。轉(zhuǎn)子和電刷產(chǎn)生不斷改變方向的電流，從而使磁場反向。

在無刷電機(jī)中，電流反向是通過一組由微控制器控制的功率晶體管（通常是 IGBT）以電子方式獲得的。驅(qū)動(dòng)它們的主要問題是了解電機(jī)的確切位置；只有這樣，控制器才能確定驅(qū)動(dòng)哪一相。轉(zhuǎn)子的位置通常使用霍爾效應(yīng)傳感器或光學(xué)傳感器獲得。在效率方面，由于摩擦減少，無刷電機(jī)產(chǎn)生的熱量比等效的交流電機(jī)少得多。

此外，無刷電機(jī)定子上的繞組具有良好的散熱能力，可以構(gòu)建沒有散熱片的“平滑”電機(jī)。當(dāng)電機(jī)在充滿揮發(fā)性化合物（如燃料）的環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，沒有火花是必不可少的。在這種類型的電機(jī)中，磁鐵位于轉(zhuǎn)子上，由特殊材料制成，可實(shí)現(xiàn)極低的慣性。這確保了速度和扭矩的極高精度，以及快速而精確的加速和減速。

BLDC 電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比具有許多優(yōu)勢。通常，它們的效率提高 15% 到 20%，由于它們是無刷的，因此需要的維護(hù)更少，并且在所有額定速度下都提供平坦的扭矩曲線。

半導(dǎo)體技術(shù)的最新發(fā)展、永磁體的改進(jìn)以及對(duì)更高效率的日益增長的需求導(dǎo)致在許多應(yīng)用中用 BLDC 替代有刷電機(jī)。BLDC 電機(jī)已進(jìn)入許多行業(yè)，包括家用電器、汽車、航空航天、消費(fèi)、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和儀器儀表（圖 1）。

圖 1：無刷直流電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)器的示例應(yīng)用（圖片：Infineon Technologies）

BLDC 電機(jī)可以有單相、兩相和三相配置；最常見的是三相。相數(shù)對(duì)應(yīng)于定子上的繞組數(shù)，而轉(zhuǎn)子磁極可以是任意數(shù)量的對(duì)，具體取決于應(yīng)用（圖 2）。

轉(zhuǎn)子速度與電機(jī)的工作頻率脈寬調(diào)制 (PWM) 成正比，這是控制啟動(dòng)電流、扭矩和功率的基本工作頻率。

圖 2：三相 BLDC 電機(jī)的典型閉環(huán)控制系統(tǒng)包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管半橋 H。（圖片：德州儀器）

直流電機(jī)的等效電路直流電機(jī)及其控制的研究涉及對(duì)等效模型的準(zhǔn)確分析，以確定最佳運(yùn)行特性。從研究直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型開始，可以選擇最好的驅(qū)動(dòng)器來控制負(fù)載。

以下等式表示在簡化假設(shè)下的轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型。假設(shè)磁路是線性的，機(jī)械摩擦是電機(jī)速度的線性函數(shù)（圖 3）。

圖 3：直流電機(jī)等效接線圖

在直流電機(jī)中，磁通量由位于定子上的繞組產(chǎn)生。讓我們假設(shè)定子僅具有一個(gè)極性末端，其特征在于電感L ?與其繞組和電阻器R相關(guān)聯(lián)é與所述導(dǎo)體中的泄漏相關(guān)聯(lián)。該電路的方程模型為：

通過轉(zhuǎn)換拉普拉斯域中的變量：

其中，K e = 1/R e是定子增益，τ e = Le /R e是定子時(shí)間常數(shù)。

類似地，假設(shè)轉(zhuǎn)子只有一個(gè)極性終端，其特征在于電樞電阻 R a（幾歐姆）和電樞電感 L a。此外，必須在轉(zhuǎn)子的電氣模型中考慮反電動(dòng)勢 e(t) 的影響，它對(duì)應(yīng)于定子感應(yīng)的電壓差并與轉(zhuǎn)速成正比。與圖 1 中相關(guān)電路相關(guān)的方程式如下：

v a (t) 和 i a (t) 分別為電樞電流和電壓。

同樣，我們將定義轉(zhuǎn)子增益 (Ka) 和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) (τa)。它可以定義所述反電動(dòng)力（e）和所述機(jī)械力矩c米由電動(dòng)機(jī)作為遞送：

Ke 和 Kc 是電機(jī)的兩個(gè)常數(shù)，稱為橢圓和扭矩常數(shù)，ω 是角速度。

機(jī)械負(fù)載的行為幾乎總是非線性的。負(fù)載的線性模型可以通過將電機(jī)扭矩 c m等于三個(gè)參數(shù)的總和來獲得：施加在電機(jī)軸上的負(fù)載扭矩；根據(jù)摩擦系數(shù)F與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的參數(shù)，以及根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J與電機(jī)轉(zhuǎn)速的導(dǎo)數(shù)成正比的參數(shù)；那是：

執(zhí)行拉普拉斯變換，我們可以定義兩個(gè)項(xiàng)：K m，機(jī)械增益和 e m，機(jī)械時(shí)間常數(shù)，導(dǎo)致以下等式：

它表達(dá)了位置和電樞電流之間的直接關(guān)系。

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)器是 BLDC 控制的基本要素。它是一種功率放大器，產(chǎn)生電壓輸出來驅(qū)動(dòng)H橋電路的大電流高側(cè)和低側(cè)IGBT柵極。高邊意味著源極（在 MOSFET 的情況下）或發(fā)射極（在 IGBT 盒中）可以在接地和更高的電機(jī)電壓之間波動(dòng)。低端表示源極或發(fā)射極始終接地。

ROHM Semiconductor的BM60212FV-CE2集成柵極驅(qū)動(dòng)器等解決方案非常適合驅(qū)動(dòng)一對(duì)高側(cè)和低側(cè) IGBT。該器件與 3.3V 或 5V 控制器邏輯信號(hào)兼容，并同時(shí)提供高達(dá) 1,200V 的可變高端電源電壓和 24V 的最大柵極控制電壓。進(jìn)一步的增強(qiáng)包括保護(hù)電路，主要是欠壓阻斷 (UVLO) 和去飽和保護(hù) (DESAT)。UVLO 電路可防止上電期間過熱和損壞。

圖 4：典型的高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動(dòng)器連接圖（圖片：Infineon Technologies）

另一個(gè)例子是英飛凌的 TLE987x 系列，它解決了廣泛的 BLDC 應(yīng)用。它提供了無與倫比的集成度和系統(tǒng)成本，以優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)用程序細(xì)分市場。該TLE9873QXW40 器件集成了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)。它的外圍設(shè)備包括一個(gè)電流傳感器、一個(gè)與采集和比較單元同步的用于 PWM 控制的后續(xù)逼近 ADC 以及 16 位定時(shí)器（圖 4）。

STMicroelectronics 用于三相 BLDC 的 STSPIN 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括采用三相橋式配置的電源驅(qū)動(dòng)器和具有用于霍爾效應(yīng)傳感器的集成解碼邏輯的解決方案。

東芝開發(fā)了智能相位控制 (InPAC) 技術(shù)，可監(jiān)控電流相位（電流信息）和電壓相位（霍爾效應(yīng)信號(hào)），并向電機(jī)電流控制信號(hào)提供反饋，以自動(dòng)調(diào)整以獲得最佳相位控制，以確保高效率。實(shí)際上，霍爾信號(hào)的相位會(huì)自動(dòng)調(diào)整以匹配電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的相位。高效率與電機(jī)的速度、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電源電壓無關(guān)。

BLDC 電機(jī)的散熱至關(guān)重要，其熱管理必須確保高效率。損耗可根據(jù)器件的電阻和寄生電容進(jìn)行分類。

在開關(guān)期間，晶體管的功耗與電源電壓、柵極電荷 (QG) 和開關(guān)頻率成正比。在給定的電源電壓下，為了提高功率密度而增加的開關(guān)頻率必須被 QG 的降低所抵消，這樣效率才不會(huì)受到影響。

Allegro MicroSystems A89331 無傳感器驅(qū)動(dòng)器旨在提高熱效率、降低功耗并降低數(shù)據(jù)中心成本。新的斷電制動(dòng) (PLB) 功能還提高了安全性并減少了材料需求。A89331 內(nèi)置的獨(dú)特 PLB 功能會(huì)對(duì)無法正常工作的風(fēng)扇施加制動(dòng)，從而消除額外的功耗并提高熱效率。

沒有電子硬件控制，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)就無法發(fā)揮作用。在選擇驅(qū)動(dòng)器以及應(yīng)用類型時(shí)，能源效率、扭矩和傳感是需要牢記的主要特征。伴隨著電機(jī)數(shù)學(xué)模型的內(nèi)部運(yùn)行使我們能夠輕松評(píng)估運(yùn)行特性，然后評(píng)估驅(qū)動(dòng)器的選擇。

審核編輯：劉清