電機控制設(shè)計基礎(chǔ)知識
發(fā)布日期:2023-08-24
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軟件和硬件都是所有電機控制系統(tǒng)的一部分，例如 IGBT、WBG 半導(dǎo)體和 MCU。工業(yè)4.0的發(fā)展強烈依賴于電機控制，但能源消耗是一個關(guān)鍵問題，因為它正在快速增長，并且需求隨著設(shè)計的復(fù)雜性而增長，因為許多電子技術(shù)都有嚴格的控制要求。寬帶隙 (WBG) 材料就是這種情況的一個例子。
從功能的角度來看，電機控制由幾個層次組成。例如，運動控制需要執(zhí)行非常復(fù)雜且計算密集型的控制算法。電機控制涵蓋了廣泛的應(yīng)用，從風(fēng)扇和泵的簡單控制到更復(fù)雜的工業(yè)控制問題，包括機器人和伺服機構(gòu)。在這里，我們來看看電機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。
電機和驅(qū)動器直流電機是常見的，因為它們更便宜，并且由定子（固定部分）（即永磁體）和運動部分（轉(zhuǎn)子）組成，運動部分容納連接到提供電流的換向器的繞組。電機的速度控制是通過調(diào)節(jié)直流電流來實現(xiàn)的。為此，根據(jù)應(yīng)用的性質(zhì)，使用全橋、半橋或降壓轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動直流電機。
交流電機基本上由變壓器組成，變壓器的初級部分連接到交流電壓，次級部分傳導(dǎo)感應(yīng)次級電流?；谖⑻幚砥鞯碾娮釉O(shè)備、逆變器和信號調(diào)節(jié)用于控制該電機的速度。
控制器是一種電子設(shè)備，在控制系統(tǒng)中充當(dāng)“大腦”。使用的控制器數(shù)量根據(jù)需要控制的單個進程的數(shù)量而變化。對于一個復(fù)雜的系統(tǒng)，可能有很多控制器。每個控制器都可以向電機發(fā)送命令，同時接收來自執(zhí)行器本身的指令。
工業(yè)應(yīng)用中使用的機器人系統(tǒng)主要使用由交流電壓（AC）供電的三相電機。作為示例， 圖 1 顯示了電子控制電路的框圖，其中專用微控制器 (MCU) 生成 PWM 信號。作為 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波算法。
交流供電三相感應(yīng)電機控制框圖圖 1：交流供電三相感應(yīng)電機控制框圖（德州儀器）直流電機的控制器示例是 Trinamic 的 TMCM-1637 5-A RMS 和 TMCM-1638 7-A RMS 插槽型模塊，帶有兩個磁場定向控制器/驅(qū)動器，添加了霍爾和 ABN 編碼器功能，用于磁場定向控制（或矢量控制）。這些模塊支持單相直流電機、兩相雙極步進電機和三相無刷直流（BLDC）電機（圖2）。
TMCM-163x 解決方案圖 2：TMCM-163x 解決方案（Trinamic）IGBT絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 體現(xiàn)了電力控制電子領(lǐng)域的真正創(chuàng)新。作為開關(guān)解決方案，創(chuàng)新來自于高開關(guān)頻率。IGBT 代表了電力控制設(shè)備的基本功能，非常適合解決復(fù)雜的電機控制問題。
的解決方案在特別極端的使用條件下，例如在汽車領(lǐng)域?qū)嵤┠孀兤鱽眚?qū)動電動機時，在開關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系。 STMicroElectronics 的1,200V IGBT S 系列就是一個例子 。這些 IGBT 針對低頻（高達 8 kHz）使用進行了優(yōu)化，并具有低 V ce(sat)的特點。1,200V IGBT S 系列基于第三代溝槽柵極場截止技術(shù)。
氮化鎵和碳化硅然而，寬帶隙材料、氮化鎵和碳化硅正在作為硅基器件的替代品，在電機控制應(yīng)用領(lǐng)域取得進展。在電力電子領(lǐng)域，WBG材料的主要優(yōu)點包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開關(guān)頻率、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度（遠超過硅可實現(xiàn)的150°C上限）、在困難的工作條件下更高的可靠性和高擊穿電壓。
例如，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的電子遷移率較高，可轉(zhuǎn)化為更高的開關(guān)速度，因為通常積聚在接頭中的電荷可以更快地分散。GaN可實現(xiàn)更快的上升時間、更低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 值以及更低的柵極和輸出電容，這些都有助于其實現(xiàn)低開關(guān)損耗以及在高達 10 倍開關(guān)頻率下工作的能力高于硅。
減少功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱以及更簡單的冷卻系統(tǒng)。許多電機控制應(yīng)用需要風(fēng)扇提供強制空氣冷卻，以便在設(shè)備的安全操作限制內(nèi)運行。通過使用 GaN，可以降低功耗并實現(xiàn)“無風(fēng)扇”操作，這對于電子無人機等輕量應(yīng)用尤為重要。
在工業(yè)電源應(yīng)用中，電子設(shè)計人員還可以通過使用 SiC MOSFET 來獲益，與 IGBT 等傳統(tǒng)硅基解決方案相比，它可顯著提高效率、縮小散熱器尺寸并降低成本。 SiC 技術(shù)可實現(xiàn)單位面積極低的 R DS(on) 、高開關(guān)頻率以及體二極管關(guān)斷后發(fā)生的反向恢復(fù)階段中可忽略不計的能量損失。
SiC器件在電機控制和電力控制應(yīng)用中的使用是一個真正的突破，因為它具有節(jié)能、尺寸減小、集成度更高和可靠性高等特點。這些功能使其非常適合汽車和工業(yè)自動化控制等高可靠性領(lǐng)域。
在工業(yè)驅(qū)動中，必須特別注意開啟和關(guān)閉換向速度。事實上，SiC MOSFET dV/dt 可以達到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當(dāng)，高換向 dV/dt 會增加長電機電纜上的電壓尖峰，并可能產(chǎn)生共模和差模寄生電流，隨著時間的推移，這些電流會導(dǎo)致繞組絕緣和電機軸承出現(xiàn)故障。盡管更快的開啟/關(guān)閉可以提高效率，但出于可靠性原因，工業(yè)驅(qū)動器中的典型 dV/dt 通常設(shè)置為 5 至 10 V/ns。
意法半導(dǎo)體對兩種類似的 1.2kV 功率晶體管（SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT）進行的比較證明，與Si IGBT，即使在 5 V/ns 的施加條件下（圖 3）。
基于兩電平、三相逆變器的驅(qū)動圖 3：基于兩電平、三相逆變器的驅(qū)動器（STMicroElectronics）由于節(jié)能、尺寸減小、集成機會和可靠性等特點，碳化硅器件在電機控制和電力控制應(yīng)用中的使用總體上是一個真正的突破。除其他選項外，現(xiàn)在可以在所連接電機的逆變器電路中使用開關(guān)頻率，這為電機設(shè)計帶來了重要優(yōu)勢例如，英飛凌科技公司基于 SiC 的 CoolSiC MOSFET 采用 .XT 互連技術(shù)，采用 1,200V 優(yōu)化的 D?PAK-7 SMD 封裝，可在伺服驅(qū)動器等功率密度關(guān)鍵型電機驅(qū)動領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)被動冷卻，從而為機器人和自動化行業(yè)提供支持實施免維護和無風(fēng)扇電機逆變器（圖 4）。
在自動化領(lǐng)域，無風(fēng)扇解決方案帶來了新的設(shè)計機會，因為它們節(jié)省了維護和材料方面的成本和精力。例如，英飛凌采用 .XT 互連技術(shù)的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片解決方案以小尺寸提供極具吸引力的散熱能力，非常適合機器人手臂中的驅(qū)動集成。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受時間為 3 ?s，額定電阻為 30 mΩ 至 350 mΩ。這滿足了伺服電機的要求。
所有工作模式下的傳導(dǎo)損耗均降低圖 4：所有工作模式下的傳導(dǎo)損耗降低（英飛凌科技）微控制器電機控制解決方案由硬件和軟件組件組成。硬件組件是電子控制器件，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功率二極管等，而軟件組件則解決日益復(fù)雜和精密的硬件控制問題。針對功率器件的控制和管理而優(yōu)化的計算架構(gòu)的出現(xiàn)使開發(fā)人員能夠獲得控制領(lǐng)域無法獲得的性能。
恩智浦半導(dǎo)體和瑞薩電子就是幾個例子。NXP 的 MPC57xx 系列 32 位處理器基于 Power Architecture 技術(shù)，除了其他汽車控制和功能管理功能外，還適用于汽車和工業(yè)動力總成應(yīng)用。該處理器提供 AEC-Q100 質(zhì)量、用于防篡改的片上安全加密保護，并支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全（ISO 26262/ IEC 61508）。它們提供以太網(wǎng) (FEC)、雙通道 FlexRay 以及針對不同通信協(xié)議的多 6 SCI/8 DSPI/2 I 2 C。
Renesas 提供 基于 Arm Cortex-M4 內(nèi)核的RA6T1 32 位 MCU，運行頻率為 120 MHz，并具有一系列針對高性能和精密電機控制而優(yōu)化的外設(shè)。單個 RA6T1 MCU 多可同時控制兩個 BLDC 電機。此外，適用于 TinyML 應(yīng)用的 Google TensorFlow Lite Micro 框架為 RA6T1 MCU 增加了增強型故障檢測功能，為客戶提供智能、易于使用且經(jīng)濟高效的無傳感器電機系統(tǒng)，以實現(xiàn)預(yù)測性維護。
電機要求因應(yīng)用而異，可能需要針對特定??用例進行優(yōu)化和微調(diào)。市場提供了多種 IGBT、WBG 半導(dǎo)體和 MCU 解決方案來滿足這些要求。然而，需要開發(fā)新的硬件來卸載處理器的實時關(guān)鍵任務(wù)，同時支持更多的診斷、預(yù)測性維護和人工智能以及功能安全系統(tǒng)。
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