浅谈工业应用的运动控制策略

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

在汽车和工业系统创新以及生产技术进步的推动下，伺服驱动器，电动机以及控制它们的设备代表了持续的增长机会。到2022年，汽车和运输行业预计将在伺服电动机和驱动器销售中占最大份额，无论是在数量上还是在价值上。伺服驱动器，控制器和电动机的需求仍然旺盛，以帮助公司提高工业设置效率。

飞行员和速度/转矩控制的要求和技术因电动机类型而异，从简单控制直流电动机和通用电动机中的电压和电流到使用交流电动机逆变器，无刷电动机中不同相位的反馈切换以及复杂的数字电路步进电机的驱动顺序。即使对于传统的模拟电动机（例如感应和开关磁阻类型），如今，传统的模拟技术也伴随着越来越复杂的数字控制方法，从而可以以低成本实现解决方案。使用微电子设备可以更好地控制速度，位置和扭矩，并提高效率。

图1：电机控制IC的框图（图片：Maxim Integrated）

电机控制电路必须以最小的开关损耗或导通损耗快速激活和停用电机线圈中的电流。MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）均可满足一系列应用中的电机控制需求。这些电可控设备的功能和属性相似，并且其内部设计中存在重叠的区域。在大多数应用中，它们以H桥配置使用，以控制流向两个或多个电动机线圈的电流路径。这样就可以完全控制电动机的速度和方向（图1）。

电动马达概述

每个包含电机或机械驱动要求的设计项目，都必须评估是使用连续电流设计还是步进电机或伺服电机。在连续电动机中，使用永磁体或绕组在定子中产生静磁场。转子由线圈组成，电流通过石墨电刷到达，石墨电刷压在旋转轴上的歧管上。电流流过连续的绕组以保持旋转。

交流电动机可以是同步或异步的。在异步电动机，也称为感应电动机中，定子绕组布置成产生近似正弦分布。同步电动机包括无刷直流和交流电动机以及开关磁阻电动机，以及由正弦电压源供电的电动机。

在无刷电动机中，转子具有永磁体，并且位于定子上的绕组由控制电子设备以适当的顺序供电。无刷直流电动机由不同定子绕组上连续信号的切换序列驱动。无刷交流电动机可以制成带有永磁体的同步交流电动机。在这种情况下，它们由正弦信号驱动。没有电刷通过消除摩擦源来提高效率。开关中没有机械部件，可以实现更高的转速。

步进电动机是由直流电驱动的无刷同步电动机。转子在特定位置保持静止。步进电机可以非常精确地旋转转子轴几度，而无需使用传感器来检测角度位置。

关键参数

与大多数电子组件一样，一些主要的性能参数和特定的性能参数决定了设备与应用程序之间的初始对应关系。电动机控制设备的主要参数是电流和电压管理值，因为这些值确定特定零件是否可以满足电动机负载要求。

对于MOSFET，下一个关键参数是导通电阻（RDS（on））和栅极电容。较低的导通电阻可降低导通期间的电阻损耗和电压降，从而降低功耗并提高效率。门的容量决定了当前频率以及在所需的过渡时间（开关速度）下完全激活和停用门所需的速度。对于IGBT，下一个关键参数是压降（Vdrop），它是二极管通过PN结和内部MOSFET的贡献之和。温度和电流水平会影响RDS（on）和Vdrop参数。

通常，MOSFET提供更高的开关速度（以兆赫兹为单位）和更高的峰值电流。IGBT的电流值约为10 A，具有坚固性，但开关速度较慢。对于电机控制应用，基本准则是：对于较低的电压和电流以及较高的开关频率，MOSFET是更好的选择，而在较高的电压/电流和较低频率下，IGBT是更好的选择。