用於馬達控制的高性能驅動器

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Mouser Electronics

具有閘極驅動器的現代微控制器非常適合於開發高效控制回路,並能夠提供所需性能水準和運算功能。工業專案中馬達控制至關重要,尤其是機器人系統、數控工具機以及其它精密系統驅動器...

電動馬達是工業領域重要組成部份,可用於風扇、泵和其它各種應用機械設計。傳統的交流(AC)馬達是最簡單感應馬達類型,已經使用了一個多世紀,但這種馬達會浪費大量能源。直流(DC)馬達是一類廣泛用於各種應用的旋轉馬達,其速度可以根據應用需要透過調變電壓來進行控制,因為馬達只在需要時才運作,這樣可以節省大量能源。

電動驅動特性

電動馬達是一種能夠將電能轉化為機械能的「可逆」(reversible)設備。「可逆」一詞表示它能夠執行逆向操作,可以作為發電機使用。從概念上講,通常也體現在實際中,兩者是一回事。固定部份(定子)和轉動部份(轉子)始終是馬達構成主體。各種類型馬達是透過磁場產生方式相互區分:

  • 連續馬達(DC):靜態磁場,由磁鐵或定子繞組產生;它們有很寬電壓範圍,最常見是 12V 和 24V。
  • 交流馬達(AC):動態磁場,由電流和轉子產生磁場之間相互作用產生。轉子旋轉與電源電流頻率同步(同步AC馬達)。
  • 無刷馬達:靜態磁場,由固定在轉子上旋轉磁鐵產生。

在DC馬達中,磁場產生是由定子完成。小功率馬達中磁體可以是永磁體(例如鐵氧體),而在中高功率馬達中,它們則由專用繞組產生,也稱為繞線磁場。動力經由旋轉且易受磨損的線環和電刷提供給轉子,它們都具有出色耐久性和可靠性。透過調節施加在電樞繞組的直流電壓可以控制馬達速度。根據特定應用,可以使用全橋轉換器、半橋轉換器或僅使用脈衝寬度調變(PWM)轉換器。

DC馬達還廣泛用於對速度和精度非常關鍵的伺服應用。為了滿足相關速度和精度設計要求,基於微處理器的閉迴路控制和轉子位置訊息至關重要,Maxim的霍爾效應感測器MAX9921能夠提供相關轉子位置訊息。霍爾效應感測器可根據磁場改變其輸出電壓,其內部包含一個敏感元件,並與設置在密封容器中磁體耦合,當鐵磁材料物體(金屬物)接近和移開時,該磁體能夠檢測磁通量改變。

MAX9921可以在零到幾kHz頻率範圍內理想地運作。霍爾效應元件可用作接近感測器、位置、速度和電流等感測。與機械開關不同,霍爾感測器是一種持久耐用解決方案,因為它不存在機械磨損問題。

直流無刷馬達(BLDC)是一種帶有永磁轉子和旋轉磁場定子的直流馬達。因此,與有刷馬達不同,它不需要馬達軸上的滑動觸點(電刷)即可運作。這意味著具有更小機械阻力和更少火花形成機會,因而能夠顯著降低維護。

一個非常相似馬達是步進馬達,它與無刷馬達不同之處在於定子不是一直通電,而是週期性地為各種電磁體供電以產生旋轉或獲得精確位置。在無刷馬達中,轉子並無繞組,但卻具有永磁體,而定子繞組產生磁場為可變式。

由於馬達以直流電運作,為了實現定子產生磁場旋轉,可由微控制器來控制一組功率電晶體,能夠控制電流開關,執行電流反轉,因而實現磁場旋轉。

由於控制器必須知道轉子相對於定子位置以確定磁場方向,因此它通常連接到霍爾效應感測器。這些機制的效率平均高於非同步直流馬達(見圖1)。

Block diagram for brushless motor control

1:無刷馬達控制方塊圖。(來源:Maxim Integrated)

BLDC 馬達是一種特殊類型同步馬達,其中轉子和定子產生磁場具有相同頻率。BLDC 細分為三類:單相、兩相和三相,這些相數對應於定子繞組數。

馬達驅動

馬達驅動器涵蓋多種不同工業和民用領域的廣泛應用,特別是電子儀表和各種電腦周邊設備。每個應用都有不同功率要求,以及需要滿足的特性,例如速度、傳動(piloting)、扭矩控制,位置或速度調整是控制系統必須管理的一些要求。為了因應市場的這些應用要求,我們查到了一系列用於DC馬達和步進馬達的控制模組。DC馬達可廣泛應用於自動化和機器人技術領域,其運作原理是基於產生吸引力和排斥力的兩個磁場(定子和轉子)相互作用。步進馬達則應用於精密設備等場合,需要脈衝進行驅動。另一方面,伺服馬達是一個機電系統,配備有機械元件和用於驅動的反饋電子裝置,它需要一個適當控制系統來執行特定操作。

驅動器IC

設計師面臨著越來越大壓力,需要進一步提高設計效率,以便能夠在競爭激烈市場中脫穎而出。例如,可以透過降低總能耗和最佳化熱管理來實現高設計效率。馬達主要功能是開關,需要在極其精確的時間透過馬達繞組施加電流。開關是由微控制器或數位訊號處理器(DSP)上的演算法進行控制,馬達控制演算法通常非常複雜,因為它們必須在不同發動機負載條件下做出正確開關決策。

能夠簡化專案的特性包括整合功率MOSFET和超低功率電源架構,這種架構能夠提供整合式電流限制和靈活電流調節模式。過壓、短路和過熱保護等監控和安全功能,以及故障診斷功能可確保系統具備高性能。

MAX14871全橋驅動器可針對4.5~36V電壓提供低功耗解決方案。該驅動器具備低功耗,並可提供只需最少量外部元件和更低電流的免費設計。整合式電流控制需要最少量外部元件,並包括三種調整模式(圖2)。

Block diagram and circuit application for the MAX14871

2MAX14871方塊圖和電路應用。(來源:Maxim Integrated)

在各種不同應用中,鑒於對馬達節能和靜音運作要求不斷提高,DC無刷馬達能夠適用於各種應用場景。為了提高效率,Toshiba的控制器利用了InPAC (智慧相位控制)技術,這種技術透過比較電流相位(電流訊息)和電壓相位(霍爾效應訊號)之間關係,並提供回饋給馬達電流控制訊號,這樣可以實現自動調整相位。Toshiba 的TC78B0 IC旨在透過修改PWM運作週期來控制馬達轉速,這些元件配備三相全波驅動、正弦PWM驅動、過流檢測電路和熱關斷電路。

Block diagram for the TC78B015FTG

3TC78B015FTG方塊圖。(來源:Toshiba)

TC78B015FTG採用6~22V電源供電,而型號TC78B015AFTG則需要6~30V電源。這兩款元件均可提供高達3A輸出電流,並支援霍爾效應元件,還具備一系列保護功能,包括熱關斷、過流檢測和馬達模組檢測(見圖3)。

ON Semiconductor可為基於功率 MOSFET的三相直流無刷馬達提供驅動器 STK984-090A。STK984-090A-E包含有整合式分流電阻器和熱敏電阻器,並具有多種保護功能,可防止過溫、過流、過壓和欠壓等問題發生。BLDC馬達驅動電路可以透過減少 PCB面積進行高效設計(見圖4)。

Application schematic for the STK984-090A

4STK984-090A 應用原理圖。(來源:ON Semiconductor)

為了減小馬達驅動應用尺寸和重量,Texas Instruments (TI)已經推出DRV832x 閘極驅動器,這些驅動器基於智慧閘極驅動架構,能夠去除許多傳統元件。該驅動器允許設置控制電流以最佳化功率損耗和電磁相容性,還可提供帶或不帶降壓穩壓器,或具備三個整合式分流放大器的驅動器。每個選項所在版本都有帶有串列診斷介面(見圖5圖6)。

Block diagram for the DRV8320H

5DRV8320H方塊圖。(來源:Texas Instruments)

Charge pump architecture for the DRV832X

6DRV832X 電荷泵架構。(來源:Texas Instruments)

結論

相較於傳統馬達,BLDC馬達具有許多優勢。強力磁體開發使得BLDC馬達能夠產生與有刷馬達相同的功率,但佔位面積更小。馬達控制能夠在設計階段提供改進效率可能性,瞭解每種類型馬達控制需求以及滿足特定應用的最合適類型,將有助於確保在任何狀況下馬達都可提供更高效率。

具有閘極驅動器的現代微控制器非常適合於開發高效控制回路,並能夠提供所需性能水準和運算功能。工業專案中馬達控制至關重要,尤其是機器人系統、數控工具機以及其它精密系統驅動器。

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