Microelectronics的电机驱动器

步进电机和永磁同步电机越来越多地服务于需要高效率和出色性能的控制应用。当前的电机控制技术包括使用微电子技术来改进对速度、位置和扭矩的控制，以及更高的效率。

步进电机是能够将电脉冲转换为离散机械步进的机电设备。当适当的电脉冲序列（随时间在强度和方向上都受到控制）施加到电机上时，曲轴会以离散的步数旋转。步进电机是需要精确控制运动范围的应用的理想解决方案。它们可以控制旋转角度、速度、位置和同步。步进电机的主要优点是它们不需要反馈机制；无需使用编码器即可精确确定位移量。

永磁同步电机 (PMSM) 允许非常快速和精确的扭矩和速度控制，即使在运行瞬态期间也能确保最佳效率。它们的卓越性能是由于它们在整个速度范围内非常有规律的旋转、零速时的全扭矩控制以及高加速度和减速度值。PMSM 的应用众多，包括电器（洗衣机、洗碗机泵、冰箱和空调）、医疗设备（CPAP 和 VPAP 机器、泵、轮椅）、电动汽车、自动售货机、自动取款机、工业执行器、风扇、泵, 和鼓风机。

单极和双极步进电机

单极步进电机由两个相同的线圈组成，两个线圈都带有未电气连接的中间抽头。通过为双线线圈对的一端供电，使流动反向，中间抽头用作公共极。单极步进电机的优势在于每相使用带有中间抽头的绕组。绕组的每一侧都针对磁通量的每个方向被激活。开关电路非常简单，因为该器件具有可以在不改变电流方向的情况下反转的磁极。然而，由于每个线圈只有一半被磁化，因此单极步进电机的磁力减小，因此可用扭矩值受到限制。

双极步进电机类似于单极步进电机，但它们的线圈没有中间抽头。双极电机的驱动稍微复杂一些，通常基于能够反转绕组极性并因此反转磁通量的 H 桥。由于双极电机每个绕组仅使用一个较大的线圈，因此绕组电阻较低，可以获得较高的扭矩值。

由于驱动电路的简单性，单极步进电机仍然在多种应用中使用，只需要几个分立元件。然而，随着在减小电子元件的尺寸和成本方面取得的进展，最近的步进应用倾向于使用双极步进电机。

驱动双极步进

电机 驱动步进电机的两种最常见模式是全步和半步。在全步模式下，两相始终同时激活，电机始终提供额定扭矩。这种控制模式只需要四个方波信号，可由微控制器 PWM 模块产生。占空比保持固定，持续时间等于一个步骤。根据初始阶段，轴将顺时针或逆时针旋转。

半步模式稍微复杂一些。在这种情况下，根据特定时间仅激活一相或两相，并且电机在每个时钟脉冲处前进半步。这种模式可以获得更高的位置值分辨率并消除不稳定性。然而，由于扭矩不会随时间保持恒定，因此半步解决方案会产生共振和振动现象。

驱动步进电机的另一种方式是波驱动模式，其中在任何给定时刻只有一个相位处于活动状态。设计人员很少选择这种模式，因为它效率低，并且相对于其他方法产生的扭矩值较低。

最后，还有第四种模式，微步进，它可以提供非常高分辨率的值，并通过恒流调节防止扭矩振荡。微步进驱动器通过遵循正弦曲线曲线来增加或减少驱动电流，因此在任何时候都不会完全关闭或打开极点。

所有的驱动模式都可以使用标准的逻辑电路来获取信号，但最常用的解决方案是基于专为步进电机控制而设计的集成电路。

图 1：L9942 框图（图片：意法半导体）

当今市场上有多种 IC 可以驱动双极步进电机并实现微步进等高级功能。例如，STMicroelectronics 的 L9942 是一款用于双极步进电机的集成驱动器，具有微步进和可编程电流曲线查找表 (LUT)。该器件包括两个全桥，最大负载为 1.3 A（R _DS(on) = 500 mΩ），并且可以编程为全、半或微步进模式操作（图 1）。该器件可以通过 SPI 接口和一些离散逻辑信号轻松地与微控制器连接。L9942 包含逻辑块，旨在检测由过度机械负载引起的电机失速，在这种情况下，负载电流的上升速度比正常操作期间快得多。

图 2：DRV8436/DRV8437 框图（图片：德州仪器）

Texas Instruments 的 DRV8436 和 DRV8437 具有两个 N 通道功率 MOSFET H 桥驱动器、一个微步分度器和集成电流感应（图 2）。DRV8436/37 可以分别驱动高达 1.1 A 和 0.8 A 的输出。该驱动器的内部电流检测架构无需两个外部功率检测电阻器，从而节省了 PCB 面积和系统成本。智能调谐衰减技术可自动调整以获得最佳电流调节性能，并补偿电机变化和老化效应。一个简单的 STEP/DIR 接口允许外部控制器管理步进电机的方向和步进速率。为电源欠压、电荷泵故障、过流、短路、开路负载和过热提供保护功能。

PMSM 控制技术

为了实现高效率，称为磁场定向控制 (FOC) 的特殊矢量算法应用于永磁同步电机的控制。该算法将定子电流分解为用于产生磁场的部分和用于产生转矩的部分。这种方法的优点是，在分解之后，两个组件都可以单独控制。

在 PMSM 中，扭矩由两个磁场共同作用产生：一个用于定子，另一个用于转子。磁通量决定了作用在定子上的磁场，因此由施加到定子的电流产生。转子上的磁场由永磁体产生的磁通量表示，因此可以认为是恒定的。当两个磁场相互垂直时，由这两个磁场（对扭矩负责）的联合作用产生的力最大。因此，目标是适当控制定子电流，使其产生垂直于转子磁体的矢量。

在电机轴旋转期间，施加在定子上的电流必须不断更新，以使与定子磁通相关的矢量与与转子磁体流动相关的矢量之间的角度始终等于 90°。该问题的经典解决方案使用基于微控制器的算法，该算法连续调整定子电流的相位和幅度。

相位控制需要了解转子位置，通常通过绝对位置传感器（旋转变压器）或相对位置传感器（编码器）获得。在某些应用中，基于霍尔效应的磁性位置传感器被用作替代方案。幅度控制是使用比例积分 (PI) 控制器实现的，该控制器作用于相电流、位置和电机速度等变量。

无传感器 PMSM 控制
高效的 PMSM 控制需要准确的转子位置信息，但在某些应用中，使用外部传感器可能会对整个系统的可靠性和效率产生负面影响。在这种情况下，使用间接或估计的位置检测技术代替机械传感器（提供曲轴位置的直接测量）。用于估计转子位置的方法因使用的电机类型而异。对于低转速，频率注入和开环启动等机制很常见。对于中速和高速，反电动势 (BEMF) 观测器技术通常用于检测电机绕组中感应的 BEMF 的过零点。

PMSM 控制解决方案
STMicroelectronics 提供全系列组件和评估板，以优化无刷直流 PMSM 电机控制系统。这些器件具有高效率、低噪音和延长寿命的特点，据说能够以低成本快速上市。例如，EVAL6393FB 参考设计演示了如何使用两个 L6393 驱动器通过全桥拓扑驱动单相负载（图 3）。该板具有优化的布局，可以通过施加总线电压和方向信号来运行。该驱动器可提供 150 W（3.0 Arms 时为 50 V）的输出功率，占用空间更小，并通过外部逻辑信号实现具有过流保护的 PWM 电压模式控制。

图 3：EVAL6393FB 低压全桥参考设计板
（图片：意法半导体）

英飞凌科技的 XMC1000 电机控制应用套件提供了一个完整的硬件和软件平台，用于评估和开发基于英飞凌 XMC1300 系列微控制器的 PMSM FOC 无传感器系统。该套件适用于风扇、泵和电动自行车等目标终端应用，包括一个带有可拆卸 SEGGER J-Link 调试接口的 XMC1300 MCU 板和一个 PMSM 低压、15W 电机卡。

审核编辑：刘清