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電機控制設(shè)計基礎(chǔ)知識

發(fā)布時間:2023-08-15 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。


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“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。


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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)。


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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,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)。


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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。


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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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