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电机种类繁多,如何选择最适合的驱动控制芯片方案?

时间:2021-08-17 作者:刘于苇 阅读:
电机驱动芯片一般是集成有CMOS 控制电路和DMOS 功率器件的芯片,利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。可以用来驱动直流电机、步进电机和继电器等感性负载。电机控制要考虑的情况稍微复杂,在满足至少3路正交PWM输出和ADC采样两个基本要求后,在根据具体应用来选择方案……
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作为大部分机械电子产品中不可或缺的重要部件,电机的发展史可以追溯到19世纪。当时大部分科学家对于电和磁之间的关系一直持否定态度,他们认为电和磁之间没有因果关系。但是丹麦物理学家、化学家奥斯特(Ørsted)受一种科学思潮的影响,信奉德国哲学家、作家康德的哲学,认为自然界的各种力可以相互转化,也可以统一。

电生磁磁生

1820年4月21日晚,奥斯特在用伏打电池给白金通电做电学演示实验时,无意识地扳动电源开关的时候,偶然发现一枚放在细长铂丝导线附近的小磁针轻微地晃动了一下,然后停在与导线垂直的方向上。这就是著名的“电流的磁效应”发现的经过,简称“电生磁”,后来的人们把它称为“电磁学第一定律”。 

遗憾的是,奥斯特没能以它来发明用电驱动、连续转动的装置——电机。直到1821年,英国物理学家、化学家法拉第(Faraday)在重复奥斯特“电生磁”实验的时候,才制造出了人类史上第一台最原始的电动机的雏形——一种在水银杯中固定的磁铁(或固定的导线)围绕固定的通电导线(或固定的磁铁)连续旋转的装置。

在发现“电生磁”之后,许多物理学家也都在思考:既然电能生磁,那么能不能“磁生电”呢?

法拉第1822年开始潜心设计过许多种类的“磁生电”装置,但都没有看到期望的电流产生。直到1831年8月,他才发现“感生电流”,这种“电磁感应(现象)”即“磁生电”。同年10月,法拉第制成了圆筒形线圈和磁棒组成的原始发电机。

在接下来的近200年中,电能成为现代社会最主要的能源之一,而在电能的生产、输送和使用等方面,电机起着至关重要重要的作用。据Grand View Research 的研究,到2025年,全球电机市场将达到1,550亿美元。

电机的三种分类方法

随着科学的进步,生产力的迅猛发展,电机更新换代的速度日益加快。从最初的直流电机到现在大热的超声电机,应用范围也越来越广,遍及生产生活的各个领域。按照不同的原理、技术,电机可以有多种分类方法。

如果按照工作电源分类,可以分为直流电机和交流电机。直流电机包括有刷直流电机和无刷直流电机,有刷直流又进一步分为永磁直流和电磁直流;交流电机则可以分为单相电机和三相电机。

如果按照按照结构和工作原理,可以划分为直流电机、异步电机和同步电机,后两者属于交流电机。异步电机又可以分为感应电机和交流换向器电机,同步电机则分为永磁同步、磁阻同步和磁滞同步三种。

最后按照用途划分,可以分为驱动用电机和控制用电机两大类。驱动用电机包括无换向器电机和换向器直流电动机,控制用电机包括步进电机和伺服电机。

由于每个分类中还会进一步分成很多细项,微信公众号 @移步IT之巅 将电机的分类整理成了一张思维导图,为大家更直观地做了科普。

电机种类繁多,直流有刷电机由于驱动简单,被大批量使用在日常消费品中;步进电机,特别是闭环步进电机,非常适合应用于对精度有一定要求的低成本市场,如纺织机具、ATM机、验钞机等低成本的工业控制;无人机、花园工具等需要小体积但大转矩的应用尤其青睐直流无刷电机;而永磁同步电机主要应用于需要对位置、转速、转矩进行高精度控制的产品中。

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一些时下热门的电机应用

所有的电机都是基于相同的原理,当电荷施加在线圈(定子)上时,它就成为了一个电磁铁。定子位于具有相反极性的磁铁场内,形成转子。当对电磁铁的电荷被迅速切换时,使用一种叫做换向器的装置,电机的轴可以旋转。

前面我们提到了电机在直流和交流上的分类。交流电机中的同步交流电机需要直流电源来为转子绕组供电,而异步电机则不需要这种额外的电源。对于自动化应用,可变磁阻交流电机是常见的,因为这可以作为基础的步进电机。

当前,直流电机(通常是无刷直流电机BLDC)变得非常流行,因为它们可以提供高能效。无刷直流电机中的永磁体放置在转子上,而电磁铁则驻留在定子上。步进电机是直流电机的另一种设计,因为它有一个由几个磁铁组成的转子,类似于齿轮上的齿。这使得电机的角度可以被精细地控制,以实现所需的机械输出。

步进(单极或双极)电机,有刷直流电机和伺服电机是最常见的自动化应用,可见于汽车设计和机器人中。异步(感应)和同步(永磁)电机也是常见的,是强固的和典型的低成本。电机类型用于任何给定应用现已发展到这样一种程度,有许多可供设计人员选择的配置选项。

随着控制单元与电机类型和应用高度匹配,数字控制正日益流行。如压缩机或泵等需要以每秒特定转速运转的电机速度,可以使用数字控制系统更精确地控制。数字控制系统对变速电机也是有效的,其速度与频率成正比。需要理解的重要因素是,随着电机应用的发展,它们的控制系统也必须发展。开发人员需要一个高效、灵活的电机控制设计环境,该环境提供了一套工具,以促进迭代设计和快速原型开发。

浅谈电机驱动控制方案选型要点

我们先来看看电机驱动芯片,它们一般是集成有CMOS 控制电路和DMOS 功率器件的芯片,利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。可以用来驱动直流电机、步进电机和继电器等感性负载。

电机驱动芯片采用标准的TTL逻辑电平信号控制,具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作,有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。

以驱动一个直流无刷电机为例,必备要素包括MCU+Gate Driver或Pre- Driver(预驱)和功率器件(MOSFET),MCU芯片通过PWM波形控制预驱芯片,进而预驱芯片控制功率器件(MOS、IGBT),甚至在一些小功率应用中还出现了集成全部链路的情形。

在电机驱动电路的设计中,应重点关注的参数包括电机驱动电压、峰值电流、转动方面和速度,以及属于H全桥还是H半桥,与MCU主控的通信接口是SPI、I2C还是CAN等。对于PWM调速的电机驱动电路,选择驱动芯片时还需要考虑输出电流和耐压、效率、不同的温度、电阻、磁场变化对控制输入端的影响、对电源的影响以及可靠性等指标。

在当前便携设备、物联网和5G应用越来越普及的情况下,对电机驱动的高精度、小型化、高集成度、低功耗要求越来越高;而自动化生产线则对电机驱动的高可靠性和长寿命提出了苛刻的要求。不同的应用场合,采用不同的驱动方案是必要的,数明半导体在一篇技术文章中按集成度的不同,将主流电机驱动器方案分为了3种:系统单芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和门极驱动器方案。

  1. SoC方案将DC-DC、门极驱动器、控制器、逆变器及反馈/保护等集成到单个芯片上,集成度高,适合空间受限的应用,简单易用。
  2. ICS方案相对于SoC方案,没有集成逆变器,因而可通过外部MOSFET支持宽范围的功率,适用于功率较大的应用,灵活性较高。
  3. 门极驱动器方案则只集成DC-DC、门极驱动器和反馈/保护,因为控制器和功率器件都在外部,所以具有最高的灵活度。

在做电机控制时要考虑的情况稍微复杂,因为电机种类本就繁杂,在每一种应用场合下对控制又有着不同的要求。在满足至少3路正交PWM输出和ADC采样两个基本要求后,在根据具体应用来选择方案。简单的六步控制,可能采用普通的51单片机就够用;如果要用在工业上,以前DSP用的比较多,现在可能大多切换到Arm架构的MCU;再往上用到汽车上就要满足车规级的MCU;伺服系统如果追求高性能,不少是用DSP或MCU+FPGA。

可见面对林林总总的电机应用挑战时,根据设计要求选择一颗合适的MCU是业内人士将面临的第一个选择。MCU的CPU频率、ADC采样速度、PWM性能从硬件上决定着电机控制环路中电流环、速度环和位置环的响应速度,MCU的集成度也决定了整个系统的复杂程度和成本控制。

另外,当前传统AC电机设计转换到更为成熟的BLDC/PMSM电机设计是一大热点,但BLDC/PMSM电机需要更复杂的电子控制,很多传统电机行业工程师只了解硬件,缺乏对电子控制算法和将复杂数学计算转换为软件编码的经验和专有技术,软件的好坏可影响系统复杂性和成本。因此,如何从系统层面加以软件支持,是很多电机驱动芯片厂商正在思考的事情。

小结

随着越来越多的行业接受自动化可提供的优势,电机及其驱动控制的市场继续扩大。设计人员面临不断缩短的开发周期,同时也面临着创新的挑战,这使得选择合适的电机控制系统至关重要。基于MCU/DSP/FPGA等各种控制技术,也将在各自擅长的领域分别发挥作用,你的具体案例如何选择最适合的芯片方案?在贸易战背景下,有哪些国产新片可以实现完美替代?

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责编:Luffy Liu

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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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