實現電機控制的高精度

介紹

電機控制和驅動器是許多應用的基礎，因為它們可以獲得高度的精度，進而轉化為更低的成本和更高的效率。電機控制電路執行的重要功能是確保轉子在不同的操作和負載條件下獲得關于繞組的精確位置，從而以足夠的精度確定 ts 位置。例如，如果連接到電機的負載發生變化，驅動器必須實時修改電機控制參數。這樣，扭矩和轉速滿足特定應用的要求。

該解決方案的主要優點是完全采用固態技術制造，減少或可能消除對機械運動調節系統（如齒輪、滑輪和皮帶）的依賴，其成本不可忽略。在需要高精度定位電機的應用中（例如機械臂、3D 打印機、CNC 機器等），通常與微步進等復雜控制算法結合使用的步進電機被成功采用。這種技術允許螺旋槳的出色定位，通過應用小數步增量獲得，下降到（在某些特定情況下）1/32 步增量。這種技術不僅可以實現高精度，但它也提高了解決方案的效率并減少了電機低速運行時常見的共振現象。在電子工業中，貼片機被廣泛使用。它們是真正的機器人，其任務是將組裝所需的 SMD 組件定位在 PCB 上。此類應用需要高精度（數量級為微米），但也需要快速操作，以降低與 SMT 組裝相關的成本。

高精度驅動系統

工業應用中使用的機器人系統，例如上面提到的拾放機，主要使用由交流電壓 (AC) 供電的三相電機。圖1顯示了適用于所述車輛的電子控制電路的框圖。使用二極管和穩壓電容器將輸入電壓轉換為直流電壓 (DC)。一個專用的微控制器產生一個 PWM 信號，當應用于三相逆變器時，在輸出端產生三個高頻波形，并利用到相應的電機繞組。請注意圖中存在從電機到微控制器的反饋信號。這些信號的任務是實時測量每相吸收的電流，使電路能夠對負載條件的快速變化做出迅速響應。因此，發送到三相逆變器的 PWM 信號經過調節，以便為電機繞組提供正確的功率電平。作為微控制器的替代品，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實現復雜的數字濾波算法。電子設計師必須面對的最大挑戰之一是反饋電流和電壓監控電路的設計。最有效的解決方案是監控所有三個電機繞組，將獲取的模擬值轉換為盡可能靠近信號源的數字形式。信號調制技術減少對其他高頻指標的干擾，特別注意與時鐘信號相關的PCB布局和走線的位置。最有效的解決方案是監控所有三個電機繞組，將獲取的模擬值轉換為盡可能靠近信號源的數字形式。信號調制技術減少對其他高頻指標的干擾，特別注意與時鐘信號相關的PCB布局和走線的位置。最有效的解決方案是監控所有三個電機繞組，將獲取的模擬值轉換為盡可能靠近信號源的數字形式。信號調制技術減少對其他高頻指標的干擾，特別注意與時鐘信號相關的PCB布局和走線的位置。

圖 1：交流供電的三相感應電機控制框圖

實現與圖 1 類似的電路所需的電子元件包括：隔離式和非隔離式開關柵極驅動器、反饋信號轉換器和用于實時控制的高速處理單元、可編程時鐘發生器、DC/DC 轉換器, 三相逆變器。

商業級解決方案

德州儀器 (TI)提供先進的解決方案，用于設計精確的電機控制和可靠的驅動器電子設備，包括高頻氮化鎵 (GaN) 柵極驅動器和模塊。一個例子是TIDA-00915，這是一種用于集成驅動器的三相、1.25 千瓦、200 伏交流小外形 GaN 逆變器參考設計。如圖 2 所示，參考設計是一款三相逆變器，在 50°C 和 85°C 時的連續額定功率分別為 1.25 kW 和 550 W，用于驅動 200V 交流伺服電機。它具有 600V LMG3411R150具有集成 FET 和柵極驅動器的 GaN 功率模塊安裝在 1.95mm 絕緣金屬基板 (IMS) 板上，以實現高效散熱。超小尺寸 (80 × 46 × 37 mm) 允許在帶有機器人和 CNC 機器的 6 軸電機應用中輕松集成驅動器和電機。

圖 2：TI TIDA-00915 參考板

Allegro Microsystems為電機控制應用提供多種電流傳感器 IC，例如ACS720，一種高精度、基于霍爾效應的電流隔離電流傳感器。該 IC 具有多個可編程故障級別，適用于工業和消費類應用，重點是電機控制和功率逆變器級應用。ACS720 采用小型表面貼裝 SOIC16 封裝，集成了差分電流感應，可抑制外部磁場，從而簡化三相電機應用中的電路板布局。

Silicon Labs有多種解決方案，也是電機控制應用的理想選擇。例如，Si828x隔離式柵極驅動器，適用于驅動各種逆變器和電機控制應用中使用的 IGBT 和碳化硅 (SiC) 器件。Si828x 器件是具有集成系統安全和反饋功能的隔離式大電流柵極驅動器。這些驅動器支持高達 5.0 kV RMS 和符合 UL1577 的耐受電壓，與其他隔離式柵極驅動器技術相比，可實現更高的性能、減少隨溫度和老化的變化、更緊密的部件與部件匹配以及卓越的共模抑制。

審核編輯：劉清