對高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代機(jī)器人設(shè)計(jì)中，頭部、頸部、四肢的任何活動(dòng)都需要各種各樣電機(jī)的支持，如傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)和其它特殊電機(jī)，但這些電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制要求各有不同，如何實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)的精確控制解決方案？如何以最低的功耗實(shí)現(xiàn)對它們的控制？常常對設(shè)計(jì)師來說是一大挑戰(zhàn)。本文將詳細(xì)地討論高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的各核心子系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)注意哪些問題。

高壓交流（HVAC）電機(jī)、工業(yè)逆變器或高壓永磁無刷電機(jī)是高電壓系統(tǒng)的幾個(gè)例子，它們典型地按他們的馬力進(jìn)行分類。雖然仍是最常見的，但其他類型電機(jī)也已經(jīng)出現(xiàn)，如直線電機(jī)和內(nèi)嵌各種激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)的齒輪頭電機(jī)。數(shù)字電機(jī)控制解決方案允許精確地控制這些機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩。在這類大型機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的MOSFET通常容量超過600V。

例如，TI有柵極驅(qū)動(dòng)解決方案TPS2829，一個(gè)同相高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)結(jié)合反饋環(huán)路中的TLV3501比較器時(shí)，這些系統(tǒng)中的柵極就可以進(jìn)行數(shù)字控制。另外，TI的MOSFET驅(qū)動(dòng)器（如UCC37321或UCC37323）可以直接驅(qū)動(dòng)小馬達(dá)或驅(qū)動(dòng)功率器件，如MOSFET或IGBT。

高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)考慮因素

高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)包括：控制器、隔離、控制器接口和運(yùn)動(dòng)反饋。

控制器：TI還提供一系列的控制處理器解決方案，從超低功耗MSP430微控制器到TMS470基于ARM7的處理器和C2000數(shù)字信號控制器（DSC）。恰當(dāng)?shù)目刂破骺梢詢?yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率，提高可靠性和降低整體系統(tǒng)成本。C2000控制器的32位DSP水平的性能和針對電機(jī)控制優(yōu)化的片上外設(shè)使用戶可以輕松地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的算法，如三相馬達(dá)的無傳感器矢量控制。C2000系列控制器（從低成本F28016到業(yè)界首個(gè)浮點(diǎn)DSC TMS320F28335）都保持軟件兼容。

隔離：TI的數(shù)字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器，它們采用二氧化硅進(jìn)行隔離，提供4kV的隔離能力。與隔離電源結(jié)合使用時(shí)，這些器件可以阻隔高電壓，隔離地，并防止噪聲電流進(jìn)入本地地，以及干擾或損壞敏感電路。

控制器接口：RS-232或RS-422對許多系統(tǒng)而言足夠用了。RS-485信令可能會(huì)捆綁一些協(xié)議，如Profibus、Interbus、Modbus或BACnet，每個(gè)針對最終用戶的特定需求。有時(shí)，控制器局域網(wǎng)（CAN）或EtherNet/IP（工業(yè)協(xié)議）優(yōu)先用于滿足聯(lián)網(wǎng)要求。M-LVDS是可以提供更低功耗的一種替代選擇。

使用外部電路的運(yùn)動(dòng)反饋：隔離的Delta-Sigma調(diào)制器（AMC1203/AMC1210）非常適合用于分流測量，以拉平毛刺和增加電流反饋分辨率。此外，INA19x（x=3到8）和INA20x（x=1至9）為低端和高端電流分流監(jiān)測提供很寬的共模電壓。

霍爾效應(yīng)或磁傳感器通常在測量超過10A的電流時(shí)更有效率，而且他們可固有地提供隔離能力。ADS1204、ADS1205和ADS1208是3個(gè)推薦器件。為了將±10V（20Vpp）信號連接到采用3.3V或5V電源的ADC上，可使用一個(gè)INA159電平差異放大器。像ADS7861/ADS7864或ADS8361/ADS8364的ADC可提供4通道或6聲道的同時(shí)電流取樣。