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在機(jī)器人、無人機(jī)、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)等應(yīng)用中，對(duì)精確運(yùn)動(dòng)控制的需求越來越多。無刷直流電機(jī) (BLDC) 和交流驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī) (PMSM) 可以提供所需的精度，同時(shí)還可以滿足以緊湊外形實(shí)現(xiàn)高效率的需求。但是與有刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)不同的是，它們很容易連接起來并運(yùn)行，而 BLDC 和 PMSM 則要復(fù)雜得多。
例如，特別是像無傳感器矢量控制（亦稱磁場(chǎng)定向控制或 FOC）這樣的技術(shù)，不僅具有出色的效率，而且具有無需傳感器硬件的優(yōu)勢(shì)，從而降低了成本，提高了可靠性。對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，問題在于無傳感器矢量控制實(shí)現(xiàn)起來很復(fù)雜，因此使用這種技術(shù)會(huì)造成開發(fā)時(shí)間延長、成本增加并可能錯(cuò)過上市時(shí)間窗口。
為了解決這一難題，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而使用已經(jīng)內(nèi)置無傳感器矢量控制軟件的開發(fā)平臺(tái)和評(píng)估板，讓他們專注于系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，而不是陷入控制軟件編碼細(xì)微差別的糾結(jié)之中。此外，這些開發(fā)環(huán)境還包括了所有的電機(jī)控制器和電源管理硬件，并集成在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，從而加快了產(chǎn)品上市速度。
本文簡要介紹了精密運(yùn)動(dòng)控制的一些需求，并回顧了直流有刷、交流感應(yīng)、BLDC 和 PMSM 電機(jī)之間的差異。最后對(duì)矢量控制基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，并介紹了 Texas Instruments、Infineon Technologies 和 Renesas Electronics 的幾個(gè)平臺(tái)和評(píng)估板，以及有利于開發(fā)精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。
精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用實(shí)例
無人機(jī)是一種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通常采用四個(gè)或多個(gè)電機(jī)。為了使無人機(jī)能夠懸停、爬升或下降，需要具有精確、協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)控制能力（圖 1）。
圖 1：無人機(jī)通常使用四個(gè)或更多個(gè)電機(jī)，通常是 BLDC 或 PMSM，轉(zhuǎn)速高至每分鐘 12000 轉(zhuǎn) (RPM) 或以上，并由電子速度控制器 (ESC) 驅(qū)動(dòng)。這個(gè)例子展示了使用無刷電機(jī)與無傳感器控制的無人機(jī)中的 ESC 模塊。（圖片來源：Texas Instruments）
要想懸停，推動(dòng)無人機(jī)上升的旋翼的凈推力必須平衡，并與拉動(dòng)它下降的引力完全相等。同樣通過增加旋翼的推力（速度），無人機(jī)可以直接爬升。反之，減小旋翼推力會(huì)使無人機(jī)下降。此外，還有偏航（轉(zhuǎn)動(dòng)無人機(jī)）、俯仰（無人機(jī)向前或向后飛行）和滾轉(zhuǎn)（無人機(jī)向左或向右飛行）。
精確和重復(fù)的運(yùn)動(dòng)是許多機(jī)器人應(yīng)用的特點(diǎn)之一。固定式多軸工業(yè)機(jī)器人為了移動(dòng)不同重量的物體，必須在三個(gè)維度上提供不同的力。機(jī)器人內(nèi)部的電機(jī)在精確的點(diǎn)上提供可變的速度和扭矩（旋轉(zhuǎn)力），機(jī)器人的控制器用它來協(xié)調(diào)沿不同軸的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)精確的速度和定位。
固定式多軸工業(yè)機(jī)器人要在三個(gè)維度上提供不同的力，才能移動(dòng)不同重量的物體，并與流水線上的其它機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)。
在輪式移動(dòng)機(jī)器人上，可以使用精確的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來控制速度和運(yùn)動(dòng)方向。兩個(gè)電機(jī)與一個(gè)或兩個(gè)腳輪一起提供運(yùn)動(dòng)，以平衡負(fù)載。兩臺(tái)電機(jī)以不同的速度驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和方向的變化，而兩臺(tái)電機(jī)的速度相同，則可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，向前或向后行走。雖然與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電機(jī)控制器比較復(fù)雜，但這種方法更精確，機(jī)械上更簡單，因此更可靠。
電機(jī)選擇
基本直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)價(jià)格相對(duì)較低，驅(qū)動(dòng)簡單，廣泛應(yīng)用于從真空吸塵器到工業(yè)機(jī)械、起重機(jī)和電梯等領(lǐng)域。然而，雖然它們價(jià)格低廉，易于驅(qū)動(dòng)，但無法提供機(jī)器人、無人機(jī)、醫(yī)療設(shè)備和精密工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用所需的精密操作。
簡易有刷直流電機(jī)是利用換向器和電刷，通過機(jī)械地切換電流方向，配合旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。有刷直流電機(jī)的缺點(diǎn)包括由于電刷磨損而需要維護(hù)，以及會(huì)產(chǎn)生電氣和機(jī)械噪音。脈寬調(diào)制 (PWM) 驅(qū)動(dòng)器可用于控制轉(zhuǎn)速，但由于有刷直流電機(jī)固有的機(jī)械特性，難以實(shí)現(xiàn)精確控制和高效率。
BLDC 電機(jī)則取消了有刷直流電機(jī)的換向器和電刷，根據(jù)定子的卷繞方式，它也可以是一個(gè) PMSM 電機(jī)。在 BLDC 電機(jī)中，定子線圈采用梯形繞組，產(chǎn)生的是梯形波形反電動(dòng)勢(shì) (EMF)，而 PMSM 定子是正弦繞組，產(chǎn)生正弦的反電動(dòng)勢(shì) (Ebemf)（圖 3）。
圖 3：PMSM 電機(jī)產(chǎn)生正弦 Ebemf 波形，而 BLDC 產(chǎn)生梯形 Ebemf 波形。（圖片來源：Texas Instruments）
BLDC 和 PMSM 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電流和反電動(dòng)勢(shì)的函數(shù)。BLDC 電機(jī)采用方波電流驅(qū)動(dòng)，而 PMSM 電機(jī)采用正弦電流驅(qū)動(dòng)。
BLDC 電機(jī)特性：
- 采用六階方波直流電流，更易于控制
- 產(chǎn)生顯著的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)
- 與 PMSM 相比，成本和性能較低
- 可采用霍爾效應(yīng)傳感器或無傳感器控制來實(shí)現(xiàn)
PMSM 電機(jī)特性：
- 使用三相正弦 PWM 進(jìn)行更復(fù)雜的控制
- 無轉(zhuǎn)矩波動(dòng)
- 效率、扭矩和成本均高于 BLDC
- 可采用軸編碼器或無傳感器控制來實(shí)現(xiàn)
什么是矢量控制？
矢量控制是一種變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法，三相電機(jī)的定子電流可以看成兩個(gè)正交分量，可以用矢量直觀地表示出來。一個(gè)分量定義了電機(jī)的磁通量，另一個(gè)分量定義了扭矩。矢量控制算法的核心是兩種數(shù)學(xué)變換：一是克拉克變換，將三相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為兩坐標(biāo)系統(tǒng)；二是帕克變換，將兩相靜止系統(tǒng)向量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)向量，反之亦然。
使用克拉克和帕克變換能將可以控制的定子電流提供到轉(zhuǎn)子域。這樣做可以讓電機(jī)控制系統(tǒng)確定應(yīng)該提供給定子的電壓，以便在動(dòng)態(tài)變化的負(fù)載下獲得最大的轉(zhuǎn)矩。
高性能速度和/或位置控制需要實(shí)時(shí)和精確地了解轉(zhuǎn)子軸的位置和速度，以使相位激勵(lì)脈沖與轉(zhuǎn)子位置同步。這些信息通常是由傳感器提供的，如連在電機(jī)軸上的絕對(duì)編碼器和磁性旋轉(zhuǎn)變壓器。這些傳感器有幾個(gè)系統(tǒng)缺點(diǎn)：可靠性較低，易受噪聲影響，成本和重量較大，且比較復(fù)雜。無傳感器矢量控制則無需速度/位置傳感器。
高性能微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 能夠讓現(xiàn)代高效的控制理論融合到先進(jìn)的系統(tǒng)建模中，確保任何實(shí)時(shí)電機(jī)系統(tǒng)都能獲得最佳功率和控制效率。預(yù)計(jì)由于微處理器和 DSP 的計(jì)算能力不斷提高，成本不斷下降，無傳感器控制幾乎將普遍取代傳感矢量控制，以及簡單但性能較弱的單變量標(biāo)量每赫茲伏特 (V/f) 控制。
驅(qū)動(dòng)工業(yè)和消費(fèi)類機(jī)器人的三相 PMSM 和 BLDC 電機(jī)
為了繞過矢量控制的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員可以使用現(xiàn)成的評(píng)估板。例如，Texas Instruments 的 DRV8301-69M-KIT 是一個(gè)基于 DIMM100 控制卡的主板評(píng)估模塊，設(shè)計(jì)人員可以用來開發(fā)三相 PMSM/BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案（圖 4）。它包括帶有雙分流放大器和降壓穩(wěn)壓器的 DRV8301 三相柵極驅(qū)動(dòng)器，以及支持 InstaSPIN 的 Piccolo TMS320F28069M 微控制器 (MCU) 板。
圖 4：設(shè)計(jì)人員可以使用 DRV8301-69M-KIT 電機(jī)套件開發(fā)三相 PMSM/BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，該套件包括一個(gè) DRV8301 和一個(gè)支持 InstaSPIN 的 Piccolo TMS320F28069M MCU 板。（圖片來源：Texas Instruments）
DRV8301-69M-KIT 是基于 Texas Instruments InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 技術(shù)的電機(jī)控制評(píng)估套件，用于旋轉(zhuǎn)三相 PMSM 和 BLDC 電機(jī)。通過 InstaSPIN，DRV8301-69M-KIT 可以讓開發(fā)人員快速識(shí)別、自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制三相電機(jī)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)“即時(shí)”穩(wěn)定、功能完善的電機(jī)控制系統(tǒng)。
結(jié)合 InstaSPIN 技術(shù)后，DRV8301-69M-KIT 提供了一個(gè)高性能、高能效、高成本效益的無傳感器或支持編碼器傳感器的 FOC 平臺(tái)，加快了開發(fā)速度和上市速度。應(yīng)用包括 60 伏和 40 安培 (A) 以下的同步電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)泵、門、電梯和風(fēng)扇，以及工業(yè)和消費(fèi)類機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備。
DRV8301-69M-KIT 硬件特性：
- 提供帶接口的三相逆變器底板，可插接 DIMM100 控制卡
- 一塊 DRV8301 三相逆變器集成電源模塊（帶一個(gè)集成式 1.5 A 降壓轉(zhuǎn)換器）底板，支持最高 60 伏的電壓和 40 A 的連續(xù)電流
- TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 卡
- 能夠使用支持 MotorWare 的 TMDXCNCD28054MISO（單獨(dú)出售）和 TMDSCNCD28027F + 外部仿真器（單獨(dú)出售）
高性能、高效率 PMSM 和 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
Infineon Technologies 的 EVAL-IMM101T 是一款全功能入門套件，其中包括了一個(gè) IMM101T 智能 IPM（集成電源模塊），它提供了一個(gè)全集成的、交鑰匙型高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，設(shè)計(jì)人員可以將其與高性能、高效率的 PMSM/BLDC 電機(jī)一起使用（圖 5）。EVAL-IMM101T 還包括對(duì) IMM101T 智能 IPM 進(jìn)行“開箱即用”式評(píng)估所需的其他必要電路，如整流器和 EMI 濾波級(jí)，以及用 USB 連接到 PC 的隔離調(diào)試器部分。
圖 5：IMM101T 評(píng)估板是一個(gè)完整的解決方案，包括運(yùn)動(dòng)控制引擎 (MCE 2.0)、柵極驅(qū)動(dòng)器和三相逆變器，能夠使用無傳感器 FOC 驅(qū)動(dòng) PMSM 和 BLDC 電機(jī)。（圖片來源：Infineon Technologies）
開發(fā) EVAL-IMM101T 就是為了在使用 IMM101T 智能 IPM 開發(fā)應(yīng)用的第一步給設(shè)計(jì)人員提供支持。該評(píng)估板為無傳感器 FOC 配備了全部組件。它包含一個(gè)單相交流連接器、EMI 濾波器、整流器和用于連接電機(jī)的三相輸出。該功率級(jí)還包含用于電流感應(yīng)的分流器和用于 DC Link 電壓測(cè)量的分壓器。
Infineon 的 IMM101T 在緊湊的 12 x 12 毫米 (mm) 表面貼裝封裝中為 PMSM/BLDC 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了不同的控制配置選項(xiàng)，最大限度地減少了外部元件數(shù)量和印刷電路板面積需要。該封裝經(jīng)過熱增強(qiáng)處理，無論有無散熱器，都能表現(xiàn)良好。該封裝的特點(diǎn)是，封裝下方的高壓墊之間的爬電距離為 1.3 mm，便于表面安裝，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)健性。
IMM100 系列集成了 500 伏 FredFET 或 650 伏 CoolMOS MOSFET，具體取決于封裝中所采用的功率 MOSFET，應(yīng)用額定輸出功率從 25 瓦 (W) 到 80 瓦不等，最大直流電壓為 500 伏/600 伏。在 600 伏版本中，如采用 Power MOS 技術(shù)，則額定電壓為 650 伏，如采用柵極驅(qū)動(dòng)器，則額定電壓為 600 伏，這決定了系統(tǒng)的最大允許直流電壓。
24 伏電機(jī)控制評(píng)估系統(tǒng)
24 伏 PMSM/BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)人員可以使用 Renesas 為 RX23T 微控制器提供的 RTK0EM0006S01212BJ 電機(jī)控制評(píng)估系統(tǒng)（圖 6）。RX23T 器件是適合于單逆變器控制的 32 位微控制器，其內(nèi)置的浮點(diǎn)單元 (FPU) 使之能夠用于處理復(fù)雜的逆變器控制算法。這有助于大大減少軟件開發(fā)和維護(hù)所需的人工時(shí)間。
圖 6：Renesas 用于 RX23T 微控制器的 24 伏電機(jī)控制評(píng)估系統(tǒng)包括一個(gè)逆變器板，用于驅(qū)動(dòng)評(píng)估包中提供的 PMSM。（圖片來源：Renesas Electronics）
此外，由于其內(nèi)核先進(jìn)，在軟件待機(jī)模式下（保留 RAM）消耗的電流僅為 0.45 微安 (μA)。RX23T 微控制器的工作電壓范圍為 2.7 至 5.5 伏，在引腳排列和軟件層面上與 RX62T 系列高度兼容。該套件包括：
結(jié)語
BLDC 和 PMSM 可用于實(shí)現(xiàn)緊湊、高效的精密運(yùn)動(dòng)控制解決方案。在 BLDC 和 PMSM 電機(jī)上運(yùn)用無傳感器矢量控制技術(shù)，既省去了傳感器硬件需要，又降低了成本，提高了可靠性。但是在這些應(yīng)用中，無傳感器矢量控制可能是一個(gè)復(fù)雜而耗時(shí)的過程。
綜上所述，設(shè)計(jì)人員可以使用附帶無傳感器矢量控制軟件的開發(fā)平臺(tái)和評(píng)估板應(yīng)對(duì)這個(gè)問題。此外，這些開發(fā)環(huán)境還包括了所有的電機(jī)控制器和電源管理硬件，并集成在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，從而加快了產(chǎn)品上市速度。
審核編輯：符乾江
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論