在諸如機器人，無人機，醫療設備和工業系統之類的應用中，對精確運動控制的需求正在增長。無刷直流電動機（BLDC）和交流驅動永磁同步電動機（PMSM）可以提供所需的精度，同時還可以在緊湊的外形尺寸中滿足對高效率的需求。但是，與易于連接和運行的有刷直流電動機和交流感應電動機不同，BLDC和PMSM更加復雜。

 

例如，諸如無傳感器矢量控制（也稱為磁場定向控制或FOC）之類的技術尤其具有出色的效率，并且具有消除傳感器硬件的優勢，從而降低了成本并提高了可靠性。設計人員面臨的問題是，無傳感器矢量控制的實施復雜，因此其使用會延長開發時間，增加成本并可能縮短產品上市時間。

 

       為了解決這一難題，設計人員可以求助于已經嵌入了無傳感器矢量控制軟件的開發平臺和評估板，從而使他們能夠專注于系統設計問題，而不會為控制軟件的編碼所困擾。此外，這些開發環境將所有電機控制器和電源管理硬件集成到一個完整的系統中，從而加快了產品上市時間。

 

       本文簡要介紹了精確運動控制的一些需求，并回顧了有刷直流，交流感應，BLDC和PMSM之間的差異。然后介紹了矢量控制的基礎知識，然后介紹了德州儀器（Texas Instruments），英飛凌（Infineon Technologies）和瑞薩電子（Renesas Electronics）的多個平臺和評估板，以及有助于精確運動控制系統開發的設計指南。

 

精密運動控制應用實例

       無人機是復雜的運動控制系統，通常使用四個或更多電動機。需要精確而協調的運動控制，以使無人機能夠懸停，爬升或下降（圖1）。

 

       要進行懸停，必須將向上推動無人機的轉子的凈推力保持平衡，并完全等于將其拉下的重力。通過平均增加轉子的推力（速度），無人機可以直線上升。相反，減小轉子推力會使無人機下降。另外，還有偏航（旋轉無人機），俯仰（使無人機向前或向后飛行）和橫滾（將無人機向左或向右飛行）。

 

精確且重復的運動是許多機器人應用程序的功能之一。固定式多軸工業機器人必須在三個維度上傳遞不同大小的力，才能移動重量不同的物體（圖2）。機器人內部的電動機在精確的點上提供可變的速度和轉矩（旋轉力），機器人的控制器使用這些電動機來協調沿不同軸的運動以實現精確的速度和定位。

 

       對于輪式移動機器人，可以使用精密的差動驅動系統來控制運動的速度和方向。使用兩個電動機與一個或兩個腳輪一起提供運動，以平衡負載。兩個電動機以不同的速度驅動以實現旋轉和方向變化，而兩個電動機的相同速度導致直線運動，向前或向后。盡管與傳統的轉向系統相比，電動機控制器更為復雜，但這種方法更精確，機械更簡單，因此更可靠。

 

電機選擇

       基本的直流電動機和交流感應電動機相對便宜且易于驅動。它們被廣泛用于從吸塵器到工業機械，起重機和電梯的各種應用。然而，盡管它們便宜且易于驅動，但是它們不能提供諸如機器人技術，無人機，醫療設備和精密工業設備之類的應用所需的精確操作。

 

       一個簡單的有刷直流電動機通過使用換向器和電刷與旋轉協調地機械切換電流方向來產生扭矩。有刷直流電動機的缺點包括由于電刷的磨損以及電氣和機械噪聲的產生而需要維護。可以使用脈沖寬度調制（PWM）驅動器來控制旋轉速度，但是由于有刷直流電動機的固有機械特性，因此很難進行精確控制和高效率。

 

       BLDC消除了有刷直流電動機的換向器和電刷，并且根據定子的纏繞方式，它也可以是PMSM。定子線圈在BLDC電機中呈梯形纏繞，產生的反電動勢（EMF）具有梯形波形，而PMSM定子呈正弦形纏繞并產生正弦反電動勢（E bemf）（圖3）。

 

BLDC和PMSM電動機的扭矩是電流和反電動勢的函數。BLDC電機由方波電流驅動，而PMSM電機由正弦電流驅動。

 

BLDC電機特性：

 

       六步方波直流電流更易于控制

       產生明顯的轉矩脈動

       比PMSM更低的成本和性能

       可以與霍爾效應傳感器或無傳感器控制一起實施

PMSM功能：

 

       使用三相正弦波PWM進行更復雜的控制

       無轉矩波動

       比BLDC更高的效率，扭矩和成本

       可以與軸編碼器或無傳感器控制一起實現

 

什么是矢量控制？

       矢量控制是一種變頻電動機驅動控制方法，其中，將三相電動機的定子電流標識為可以用矢量顯示的兩個正交分量。一個分量定義了電動機的磁通量，另一個分量定義了轉矩。矢量控制算法的核心是兩個數學變換：Clarke變換將三相系統修改為兩坐標系統，而Park變換將兩相平穩系統矢量轉換為旋轉系統矢量及其逆。

 

       使用Clarke和Park變換可將可控制的定子電流帶入轉子域。這樣做可以使電動機控制系統確定應提供給定子的電壓，以在動態變化的負載下非常大化轉矩。

 

       高性能的速度和/或位置控制需要實時準確地了解轉子軸的位置和速度，以便將相位激勵脈沖與轉子位置同步。該信息通常由傳感器（例如，安裝在電動機軸上的絕對編碼器和電磁分解器）提供。這些傳感器具有幾個系統缺點：可靠性低，對噪聲的敏感性，成本和重量更大以及復雜性更高。無傳感器矢量控制消除了對速度/位置傳感器的需求。

 

       高性能微處理器和數字信號處理器（DSP）使現代高效的控制理論得以體現在高級系統建模中，從而確保了任何實時電動機系統的非常佳功率和控制效率。可以預期，由于計算能力的提高和微處理器和DSP成本的下降，無傳感器控制將幾乎普遍取代傳感器矢量控制，以及簡單但性能較低的單變量標量伏/赫茲（V / f ） 控制。

 

驅動用于工業和消費機器人的三相PMSM和BLDC電機

為了解決矢量控制的復雜性，設計人員可以使用現成的評估板。例如，德州儀器（TI）的DRV8301-69M-KIT是基于DIMM100 controlCARD的主板評估模塊，設計人員可以使用該模塊來開發三相PMSM / BLDC電機驅動解決方案（圖4）。它包括具有雙電流分流放大器和降壓穩壓器的DRV8301三相柵極驅動器，以及支持InstaSPIN的Piccolo TMS320F28069M微控制器（MCU）板。

DRV8301-69M-KIT是基于InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION的德州儀器（TI）技術的電機控制評估套件，用于旋轉三相PMSM和BLDC電機。借助InstaSPIN，DRV8301-69M-KIT可使開發人員快速識別，自動調整和控制三相電動機，從而提供“即時”穩定且功能齊全的電動機控制系統。

 

       結合InstaSPIN技術，DRV8301-69M-KIT提供了高性能，高能效，經濟高效的無傳感器或啟用編碼器傳感器的FOC平臺，可加快開發速度，加快上市時間。應用包括用于驅動泵，門，升降機和風扇的60伏特和40安培（A）以下的同步電動機，以及工業和消費機器人技術和自動化領域。

 

DRV8301-69M-KIT硬件功能：

 

       帶有接口的三相逆變器基板，可接收DIMM100 controlCARD

       DRV8301三相逆變器集成電源模塊（帶有集成的1.5 A降壓轉換器）基板，支持高達60伏和40 A連續

       TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION卡

       與MotorWare支持的TMDXCNCD28054MISO（另售）和TMDSCNCD28027F +外部仿真器（另售）一起使用的能力

 

高性能，高效率PMSM和BLDC電機驅動器

       Infineon Technologies的EVAL-IMM101T是功能齊全的入門工具包，其中包括IMM101T Smart IPM（集成電源模塊），該模塊提供了一個完全集成的，交鑰匙的高壓電機驅動解決方案，設計人員可以將其與高性能，高效PMSM / BLDC電機（圖5）。EVAL-IMM101T還包括對IMM101T智能IPM進行“開箱即用”評估所需的其他必要電路，例如整流器和EMI濾波器級，以及帶有USB連接到PC的隔離調試器部分。

 

       EVAL-IMM101T的開發旨在為設計人員在使用IMM101T智能IPM開發應用程序的非常好步提供支持。評估板配備了用于無傳感器FOC的所有組件組。它包含一個單相交流連接器，EMI濾波器，整流器和用于連接電動機的三相輸出。功率級還包含用于電流檢測的電源分流器和用于直流母線電壓測量的分壓器。

 

       英飛凌的IMM101T采用緊湊的12 x 12毫米（mm）表面安裝封裝，為PMSM / BLDC驅動系統提供了不同的控制配置選項，從而非常大限度地減少了外部組件數量和印刷電路板（pc board）面積。該封裝經過熱增強，因此無論有無散熱片都可以很好地發揮性能。該封裝在封裝下方的高壓焊盤之間具有1.3 mm的爬電距離，從而簡化了表面安裝并提高了系統的堅固性。

 

       IMM100系列集成了500伏FredFET或650伏CoolMOS MOSFET。根據封裝中使用的功率MOSFET，IMM100系列適用于額定輸出功率從25瓦（W）到80 W且非常大直流電壓為500伏/ 600伏的應用。在600伏版本中，Power MOS技術的額定電壓為650伏，而柵極驅動器的額定電壓為600伏，這決定了系統的非常大允許DC電壓。

 

24伏電機控制評估系統

       24伏PMSM / BLDC電動機驅動器的設計人員可以使用瑞薩電子針對RX23T微控制器的RTK0EM0006S01212BJ電動機控制評估系統（圖6）。RX23T器件是32位微控制器，適用于具有內置浮點單元（FPU）的單逆變器控制，使它們能夠用于處理復雜的逆變器控制算法。這有助于大大減少軟件開發和維護所需的工時。

 

此外，由于采用了內核，因此在軟件待機模式（具有RAM保留）下消耗的電流僅為0.45微安（μA）。RX23T微控制器的工作電壓范圍為2.7至5.5伏，并在引腳排列和軟件級別上與RX62T線路高度兼容。該套件包括：

 

       24伏逆變器板

       PMSM控制功能

       三路電流檢測功能

       過電流保護功能

       RX23T微控制器的CPU卡

       USB mini B電纜

       永磁同步電機

結論

       BLDC和PMSM可用于提供緊湊而高效的精密運動控制解決方案。在BLDC和PMS電機上使用無傳感器矢量控制具有消除傳感器硬件的優勢，從而降低了成本并提高了可靠性。但是，在這些應用中，無傳感器矢量控制可能是一個復雜且耗時的過程。

 

       如圖所示，設計人員可以求助于無傳感器矢量控制軟件隨附的開發平臺和評估板。此外，這些開發環境將所有電機控制器和電源管理硬件集成到一個完整的系統中，從而加快了產品上市時間。