電機控制設計解決方案

電機控制系統(tǒng)由軟件和硬件組件組成，包括 IGBT、WBG 半導體和 MCU，它們變得越來越復雜。

電機控制在工業(yè)4.0的技術發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略作用。工業(yè)發(fā)展的一個關鍵問題是能源使用。部分由于工業(yè)電動機的電力需求，電力消耗顯著增長。由于這些不斷增長的需求，在電機控制領域?qū)ふ矣行У慕鉀Q方案是開發(fā)人員和組件制造商等的首要任務。

隨著能源消耗，由于涉及許多需要付出巨大努力的電子技術的嚴格控制要求，設計復雜性也在增加。一個例子是寬帶隙 (WBG) 材料的使用。

從功能的角度來看，電機控制由幾個級別組成。例如，運動控制需要執(zhí)行非常復雜和計算密集型的控制算法。電機控制涵蓋了廣泛的應用，從簡單的風扇和泵控制到更復雜的工業(yè)控制問題，包括機器人和伺服機構(gòu)。在這里，我們來看看電機控制系統(tǒng)的關鍵組件。

電機和驅(qū)動器

直流電機是最常見的，因為它們更便宜并且由一個定子（固定部分）——即永磁體——和一個移動部分（轉(zhuǎn)子）組成，轉(zhuǎn)子包含連接到提供電流的換向器的繞組。電機的速度控制是通過調(diào)節(jié)直流電來實現(xiàn)的。為此，根據(jù)應用的性質(zhì)，可以使用全橋、半橋或降壓轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動直流電機。

交流電機基本上由一個變壓器組成，初級部分連接到交流電壓，次級部分傳導感應的次級電流。基于微處理器的電子設備、逆變器和信號調(diào)節(jié)用于控制該電機的速度。

控制器是一種電子設備，在控制系統(tǒng)中充當“大腦”。使用的控制器數(shù)量根據(jù)需要控制的單個進程的數(shù)量而變化。對于一個復雜的系統(tǒng)，可能有許多控制器。這些控制器中的每一個都可以向電機發(fā)送命令，同時從執(zhí)行器本身接收指令。

工業(yè)應用中使用的機器人系統(tǒng)主要使用由交流電壓 (AC) 供電的三相電機。作為示例，?圖 1?顯示了電子控制電路的框圖，其中專用微控制器 (MCU) 生成 PWM 信號。作為 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實現(xiàn)復雜的數(shù)字濾波算法。

圖 1：交流供電的三相感應電機控制框圖

直流電機的控制器示例是 Trinamic 的?TMCM-1637 ?5 - A RMS 和?TMCM-1638 ?7-A RMS 插槽型模塊，帶有兩個磁場定向控制器/驅(qū)動器，為磁場定向控制（或矢量控制）。這些模塊支持單相直流電機、兩相雙極步進電機和三相無刷直流 (BLDC) 電機（圖 2）。

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圖 2：TMCM-163x 解決方案

IGBT

絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 體現(xiàn)了電力控制電子領域的真正創(chuàng)新。作為開關解決方案，創(chuàng)新來自于高開關頻率。IGBT 代表電力控制設備的基本功能，非常適合解決復雜的電機控制問題。

最新的解決方案在特別極端的使用條件下，例如在汽車領域使用逆變器來驅(qū)動電動機時，在開關速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關系。一個例子是?STMicroelectronics的?1,200-V IGBT S 系列。這些 IGBT 優(yōu)化用于低頻（高達 8 kHz），并具有低 V ce(sat) 的特點。1,200V IGBT S 系列基于第三代溝槽柵極場截止技術。

氮化鎵和碳化硅

然而，WBG 材料、氮化鎵和碳化硅正在作為硅基器件的替代品在電機控制應用中取得進展。在電力電子領域，WBG 材料提供的主要優(yōu)勢包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開關頻率、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度（遠超過硅可達到的 150°C 上限）、在困難的工作條件下具有更高的可靠性, 和高擊穿電壓。

例如，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的更高電子遷移率轉(zhuǎn)化為更高的開關速度，因為通常在接頭中積累的電荷可以更快地分散。GaN 可實現(xiàn)更快的上升時間、更低的漏源導通電阻 (R DS(on) ) 值以及更低的柵極和輸出電容，所有這些都有助于其低開關損耗和在高達 10 倍的開關頻率下工作的能力高于硅。

減少功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱和更簡單的冷卻系統(tǒng)。許多電機控制應用需要風扇提供強制空氣冷卻，以便在設備的安全操作限制內(nèi)運行。通過使用 GaN，可以降低功耗并實現(xiàn)“無風扇”操作，這在電子無人機等輕量化應用中尤為重要。

在工業(yè)電源應用中，電子設計人員還可以通過使用 SiC MOSFET 獲得優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的基于硅的解決方案（如 IGBT）相比，它提供顯著的效率改進、更小的散熱器尺寸和更低的成本。SiC 技術實現(xiàn)了非常低的?單位面積R DS(on)、高開關頻率以及在體二極管關閉后發(fā)生的反向恢復階段期間的能量損失可以忽略不計。

由于具有節(jié)能、尺寸減小、更高集成度和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應用中使用 SiC 器件是一個真正的突破。這些特性使它們非常適合汽車和工業(yè)自動化控制等高可靠性領域。

在工業(yè)驅(qū)動中，必須特別注意開啟和關閉換向速度。事實上，SiC MOSFET dV/dt 可以達到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當，高換向 dV/dt 會增加長電機電纜上的電壓尖峰，并可能產(chǎn)生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，會導致繞組絕緣和電機軸承失效。盡管更快的開啟/關閉提高了效率，但出于可靠性原因，工業(yè)驅(qū)動器中的典型 dV/dt 通常設置為 5 到 10 V/ns。

STMicroelectronics 對兩個類似的 1.2-kV 功率晶體管（SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT）進行的比較證明，與Si IGBT，即使在 5 V/ns 的強加條件下（圖 3）。

圖 3：基于兩電平、三相逆變器的驅(qū)動

由于具有節(jié)能、尺寸減小、集成機會和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應用中使用 SiC 器件是一個真正的突破。除其他選項外，現(xiàn)在可以在逆變器電路中為連接的電機使用最佳開關頻率，這在電機設計中具有重要優(yōu)勢。

例如，英飛凌科技的基于 SiC 的?CoolSiC MOSFET?采用 .XT 互連技術，采用 1,200V 優(yōu)化的 D2PAK-7 SMD 封裝，可在伺服驅(qū)動器等功率密度關鍵的電機驅(qū)動器領域?qū)崿F(xiàn)被動冷卻，從而支持機器人和自動化行業(yè)實施免維護和無風扇電機逆變器（圖 4）。

在自動化領域，無風扇解決方案帶來了新的設計機會，因為它們節(jié)省了維護和材料的成本和精力。例如，英飛凌采用 .XT 互連技術的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片解決方案以小巧的外形提供極具吸引力的散熱能力，使其非常適合于機械臂中的驅(qū)動集成。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受時間為 3 μs，額定值為 30 mΩ 至 350 mΩ。這符合伺服電機的要求。

圖 4：所有工作模式下的傳導損耗降低

微控制器

電機控制解決方案由硬件和軟件組件組成。硬件組件是電子控制器件，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功率二極管等，而軟件組件則解決了硬件的控制，這變得越來越復雜和精密。針對功率設備的控制和管理進行了優(yōu)化的計算架構(gòu)的可用性使開發(fā)人員能夠獲得在控制領域不可能實現(xiàn)的性能。

幾個例子來自恩智浦半導體和瑞薩電子。NXP 的?MPC57xx?系列 32 位處理器基于 Power Architecture 技術，適用于汽車和工業(yè)動力系統(tǒng)應用以及其他汽車控制和功能管理可能性。這些處理器提供 AEC-Q100 質(zhì)量、用于防篡改的片上安全加密保護，并支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全 (ISO 26262/IEC 61508)。它們?yōu)椴煌?a target="_blank">通信協(xié)議提供以太網(wǎng) (FEC)、雙通道 FlexRay 和高達 6 SCI/8 DSPI/2 I 2 C。

瑞薩電子提供?基于 Arm Cortex-M4 內(nèi)核的?RA6T1 32 位 MCU，以 120 MHz 的頻率運行，并帶有一系列針對高性能和精密電機控制而優(yōu)化的外設。單個 RA6T1 MCU 最多可同時控制兩個 BLDC 電機。此外，用于 TinyML 應用程序的 Google TensorFlow Lite Micro 框架為 RA6T1 MCU 增加了增強的故障檢測功能，為客戶提供智能、易于使用且經(jīng)濟高效的無傳感器電機系統(tǒng)，用于預測性維護。

電機要求因應用而異，可能需要針對特定用例進行優(yōu)化和微調(diào)。市場提供了多種 IGBT、WBG 半導體和 MCU 方面的解決方案來滿足這些要求。但是，需要開發(fā)新硬件，從處理器卸載實時關鍵任務，同時支持更多診斷、預測性維護和人工智能以及功能安全系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷