电机控制和驱动器的高精度解决方案

介绍

电机控制和驱动器在许多应用中都是基本的，因为它们允许获得很高的精度，进而转化为更低的成本和更高的效率。电动机控制电路执行的重要功能是确保转子在不同的运行和负载条件下占据与绕组有关的精确位置，从而以足够的精度确定位置。例如，如果电动机上的负载发生变化，驾驶员必须实时修改电动机控制参数。这样，扭矩和转速即可满足特定应用的要求。

该解决方案的主要优点是完全采用固态技术制造，从而减少或可能消除了对机械运动调节系统（例如齿轮，皮带轮和皮带）的依赖，而这些运动的成本不可忽略。在需要高精度定位电机的应用中（例如机械臂，3D打印机，CNC机器等），通常采用了步进电机，该电机通常与诸如微步进之类的复杂控制算法结合使用。通过应用小数步长增量（低至（在某些特定情况下）1/32步长增量而获得）螺旋桨，该技术可以实现出色的螺旋桨定位。这项技术不仅可以实现高精度，但它也提高了解决方案的效率，并减少了低速运行电动机的典型共振现象。在电子工业中，取放机器被广泛使用。他们是真正的机器人，其任务是将组装所需的SMD组件放置在PCB上。这样的应用需要高精度（数量级是微米），还需要快速操作，以减少与SMT组件相关的成本。

高精度驱动系统

在工业应用中使用的机器人系统，例如上述的取放机器，主要使用由交流（AC）供电的三相电动机。图1图1示出了适用于所述车辆的电子控制电路的框图。使用二极管和调平电容器将输入电压转换为直流电压（DC）。专用微控制器在应用于三相逆变器时会生成PWM信号，并在输出端生成三个高频波形，并利用它们分别连接至电机绕组。注意在图中，存在从电动机到微控制器的反馈信号。这些信号的任务是实时测量每个相吸收的电流，从而使电路能够迅速响应负载条件的快速变化。因此，发送至三相逆变器的PWM信号经过调节，以向电机绕组提供正确的功率水平。作为微控制器的替代品，DSP或FPGA解决方案更适合于实现复杂的数字滤波算法。电子设计师必须面对的最大挑战之一是反馈电流和电压监视电路的设计。最有效的解决方案是监视所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能接近信号源的数字形式。信号调制技术减少了对其他高频指示器的干扰，尤其要注意PCB布局以及与时钟信号相关的走线的位置。最有效的解决方案是监视所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能接近信号源的数字形式。信号调制技术减少了对其他高频指示器的干扰，尤其要注意PCB布局以及与时钟信号相关的走线的位置。最有效的解决方案是监视所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能接近信号源的数字形式。信号调制技术减少了对其他高频指示器的干扰，尤其要注意PCB布局以及与时钟信号相关的走线的位置。

图1：交流供电的三相感应电动机控制的框图

实现类似于图1的电路所需的电子组件包括：隔离和非隔离的开关栅极驱动器，反馈信号转换器和用于实时控制的高速处理单元，可编程时钟发生器，DC / DC转换器，以及三相逆变器。

商业级解决方案

德州仪器（TI）提供先进的解决方案，用于设计精确的电机控制和可靠的驱动器电子设备，包括高频氮化镓（GaN）栅极驱动器和模块。TIDA-00915是一个示例，这是一款用于集成驱动器的三相1.25kW，200VAC小型GaN逆变器参考设计。如图2所示，该参考设计是一个三相逆变器，在50°C时的额定连续功率为1.25 kW，在85°C时的额定连续功率为550 W，以驱动200V交流伺服电机。它具有600VLMG3411R150具有集成FET和栅极驱动器的GaN电源模块安装在1.95mm绝缘金属基板（IMS）板上，可实现高效散热。超小外形尺寸（80×46×37 mm），可在机器人和CNC机器的6轴电机应用中轻松集成驱动器和电机。

图2：TI TIDA-00915参考板

Allegro Microsystems为电机控制应用提供了多种电流传感器IC，例如ACS720，基于霍尔效应的高精度电隔离电流传感器。该IC具有多种可编程故障等级，适用于工业和消费类应用，重点是电机控制和功率逆变器级应用。ACS720采用小型表面贴装SOIC16封装，集成了差分电流检测功能，可抑制外部磁场，从而简化了三相电机应用中的电路板布局。

Silicon Labs还提供了多种解决方案，这些解决方案也是电机控制应用的理想选择。Si828x隔离式栅极驱动器就是一个例子，适用于驱动在各种逆变器和电机控制应用中使用的IGBT和碳化硅（SiC）器件。Si828x器件是隔离的大电流栅极驱动器，具有集成的系统安全性和反馈功能。与其他隔离式栅极驱动器技术相比，该驱动器支持高达5.0 kV RMS电压和每个UL1577的耐压，可实现更高的性能，减少的温度和使用年限变化，更紧密的部件间匹配以及出色的共模抑制性能。
编辑：hfy