將無傳感器矢量控制與BLDC和PMS電機(jī)結(jié)合使用，提供精確運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)器人、無人機(jī)、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)等應(yīng)用對(duì)精確運(yùn)動(dòng)控制的需求正在增長。無刷直流電機(jī) （BLDC） 和交流驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī) （PMSM） 可以提供所需的精度，同時(shí)滿足緊湊外形對(duì)高效率的需求。然而，與易于連接和運(yùn)行的有刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)不同，BLDC 和 PMSM 要復(fù)雜得多。

例如，特別是無傳感器矢量控制（也稱為磁場定向控制或FOC）等技術(shù)，具有出色的效率以及消除傳感器硬件的優(yōu)勢，從而降低成本并提高可靠性。設(shè)計(jì)人員面臨的問題是，無傳感器矢量控制實(shí)施起來很復(fù)雜，因此使用無傳感器矢量控制會(huì)延長開發(fā)時(shí)間，增加成本，并可能錯(cuò)過上市時(shí)間窗口。

為了解決這一難題，設(shè)計(jì)人員可以求助于已經(jīng)內(nèi)置無傳感器矢量控制軟件的開發(fā)平臺(tái)和評(píng)估板，使他們能夠?qū)Ｗ⒂谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)問題，而不會(huì)陷入控制軟件編碼的細(xì)微差別中。此外，這些開發(fā)環(huán)境包括將所有電機(jī)控制器和電源管理硬件集成到一個(gè)完整的系統(tǒng)中，從而加快了上市時(shí)間。

本文簡要介紹了精密運(yùn)動(dòng)控制的一些需求，并回顧了有刷直流、交流感應(yīng)、BLDC 和永磁同步電機(jī)之間的差異。然后總結(jié)矢量控制的基礎(chǔ)知識(shí)，然后介紹[德州儀器]、[英飛凌科技]和[瑞薩電子]的幾個(gè)平臺(tái)和評(píng)估板，以及促進(jìn)精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)指南。

精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用示例

無人機(jī)是復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通常使用四個(gè)或更多電機(jī)。需要精確和協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)控制，使無人機(jī)能夠懸停、爬升或下降（圖 1）。

圖 1：無人機(jī)通常使用四個(gè)或更多電機(jī)，通常是 BLDC 或 PMSM，以每分鐘 12，000 轉(zhuǎn) （RPM） 或更高的速度旋轉(zhuǎn)，并由電子速度控制器 （ESC） 驅(qū)動(dòng)。此示例顯示了使用無傳感器控制的無刷電機(jī)的無人機(jī)中的 ESC 模塊。（圖片來源：德州儀器）

要懸停，推動(dòng)無人機(jī)向上的旋翼的凈推力必須平衡，并且完全等于將其向下拉動(dòng)的重力。通過同樣增加旋翼的推力（速度），無人機(jī)可以直接向上爬升。相反，減小旋翼推力會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)下降。此外，還有偏航（旋轉(zhuǎn)無人機(jī)）、俯仰（將無人機(jī)向前或向后飛行）和滾動(dòng)（將無人機(jī)向左或向右飛行）。

精確和重復(fù)的運(yùn)動(dòng)是許多機(jī)器人應(yīng)用的特征之一。固定式多軸工業(yè)機(jī)器人必須在三維空間中傳遞不同量的力，以便移動(dòng)不同重量的物體。機(jī)器人內(nèi)部的電機(jī)在精確的點(diǎn)提供可變的速度和扭矩（旋轉(zhuǎn)力），機(jī)器人的控制器使用這些點(diǎn)來協(xié)調(diào)沿不同軸的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)精確的速度和定位。

固定式多軸工業(yè)機(jī)器人必須在三維空間中傳遞不同量的力，以便移動(dòng)不同重量的物體，并與裝配線上的其他機(jī)器人協(xié)調(diào)其活動(dòng)。

對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)器人，可以使用精確的差速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來控制運(yùn)動(dòng)的速度和方向。兩個(gè)電機(jī)用于提供運(yùn)動(dòng)，以及一個(gè)或兩個(gè)腳輪以平衡負(fù)載。兩個(gè)電機(jī)以不同的速度驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和方向變化，而兩個(gè)電機(jī)的相同速度導(dǎo)致直線運(yùn)動(dòng)，無論是向前還是向后。雖然與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電機(jī)控制器更復(fù)雜，但這種方法更精確，機(jī)械更簡單，因此更可靠。

電機(jī)選擇

基本的直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)相對(duì)便宜且易于驅(qū)動(dòng)。它們廣泛用于從真空吸塵器到工業(yè)機(jī)械、起重機(jī)和電梯的廣泛應(yīng)用。然而，雖然它們價(jià)格低廉且易于驅(qū)動(dòng)，但它們無法提供機(jī)器人、無人機(jī)、醫(yī)療設(shè)備和精密工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用所需的精確操作。

簡單的有刷直流電機(jī)通過使用換向器和電刷與旋轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)機(jī)械地切換電流方向來產(chǎn)生扭矩。有刷直流電機(jī)的缺點(diǎn)包括由于電刷磨損以及產(chǎn)生電氣和機(jī)械噪音而需要維護(hù)。脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)器可用于控制旋轉(zhuǎn)速度，但由于有刷直流電機(jī)固有的機(jī)械特性，難以實(shí)現(xiàn)精確控制和高效率。

BLDC 消除了有刷直流電機(jī)的換向器和電刷，并且根據(jù)定子的繞組方式，它也可以是 PMSM。定子線圈梯形纏繞在 BLDC 電機(jī)中，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢 （EMF） 呈梯形波形，而 PMSM 定子正弦纏繞并產(chǎn)生正弦反電動(dòng)勢 （E 貝姆福 ）（圖3）。

圖 3：永磁同步電機(jī)產(chǎn)生正弦 E 貝姆福 ，而 BLDC 生成梯形 E貝姆福浪 ~~ 。（圖片來源：德州儀器）

BLDC 和永磁同步電機(jī)中的扭矩是電流和反電動(dòng)勢的函數(shù)。BLDC 電機(jī)由方波電流驅(qū)動(dòng)，而 PMSM 電機(jī)由正弦電流驅(qū)動(dòng)。

無刷直流電機(jī)特點(diǎn)：

• 通過六步方波直流電流更易于控制* 產(chǎn)生顯著的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)* 成本和性能低于 PMSM* 可使用霍爾效應(yīng)傳感器或無傳感器控制實(shí)現(xiàn)

永磁同步電機(jī)特點(diǎn)：

• 使用三相正弦PWM進(jìn)行更復(fù)雜的控制* 無轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)* 比 BLDC 更高的效率、扭矩和成本* 可通過軸編碼器或無傳感器控制實(shí)現(xiàn)

什么是病媒控制？

矢量控制是一種變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法，其中三相電動(dòng)機(jī)的定子電流被識(shí)別為兩個(gè)可以用矢量可視化的正交分量。一個(gè)組件定義電機(jī)的磁通量，另一個(gè)組件定義扭矩。矢量控制算法的核心是兩個(gè)數(shù)學(xué)變換：克拉克變換將三相系統(tǒng)修改為兩坐標(biāo)系，而公園變換將兩相穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)向量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)向量及其逆向量。

使用克拉克變換和帕克變換可將可控制的定子電流帶入轉(zhuǎn)子域。這樣做允許電機(jī)控制系統(tǒng)確定應(yīng)提供給定子的電壓，以在動(dòng)態(tài)變化的負(fù)載下最大化扭矩。

高性能速度和/或位置控制需要實(shí)時(shí)精確地了解轉(zhuǎn)子軸的位置和速度，以便將相位激勵(lì)脈沖與轉(zhuǎn)子位置同步。該信息通常由傳感器提供，例如連接到電機(jī)軸上的絕對(duì)編碼器和磁性旋轉(zhuǎn)變壓器。這些傳感器有幾個(gè)系統(tǒng)缺點(diǎn)：可靠性較低、易受噪聲影響、成本和重量增加以及復(fù)雜性較高。無傳感器矢量控制消除了對(duì)速度/位置傳感器的需求。

高性能微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）使現(xiàn)代高效的控制理論能夠體現(xiàn)在先進(jìn)的系統(tǒng)建模中，確保任何實(shí)時(shí)電機(jī)系統(tǒng)的最佳功率和控制效率。預(yù)計(jì)由于微處理器和DSP的計(jì)算能力提高和成本下降，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(biāo)量伏特/赫茲（V / f）控制。

驅(qū)動(dòng)用于工業(yè)和消費(fèi)類機(jī)器人的三相永磁同步電機(jī)和無刷直流電機(jī)

為了解決矢量控制的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員可以使用現(xiàn)成的評(píng)估板。例如，德州儀器 （TI） 的 [DRV8301-69M-KIT] 是基于 DIMM100 controlCARD 的主板評(píng)估模塊，設(shè)計(jì)人員可以使用該模塊開發(fā)三相 PMSM/BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案（圖 4）。它包括具有雙通道分流放大器和降壓穩(wěn)壓器的 [DRV8301]三相柵極驅(qū)動(dòng)器，以及支持 InstaSPIN 的 Piccolo [TMS320F28069M]微控制器 （MCU） 板。

圖 4：設(shè)計(jì)人員可以使用 DRV8301-69M-KIT 電機(jī)套件開發(fā)三相 PMSM/BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案，該套件包括 DRV8301 和支持 InstaSPIN 的 Piccolo TMS320F28069M MCU 板。（圖片來源：德州儀器）

DRV8301-69M-KIT 是基于 InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 德州儀器 （TI） 技術(shù)的電機(jī)控制評(píng)估套件，用于旋轉(zhuǎn)三相永磁同步電機(jī)和 BLDC 電機(jī)。借助 InstaSPIN，DRV8301-69M-KIT 允許開發(fā)人員快速識(shí)別、自動(dòng)調(diào)諧和控制三相電機(jī)，從而提供“即時(shí)”穩(wěn)定且功能強(qiáng)大的電機(jī)控制系統(tǒng)。

DRV8301-69M-KIT 與 InstaSPIN 技術(shù)相結(jié)合，可提供高性能、高能效、經(jīng)濟(jì)高效的無傳感器或支持編碼器傳感器的 FOC 平臺(tái)，可加快開發(fā)速度，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。應(yīng)用包括用于驅(qū)動(dòng)泵、閘門、升降機(jī)和風(fēng)扇的低于 60 伏和 40 安培 （A） 的同步電機(jī)，以及工業(yè)和消費(fèi)類機(jī)器人和自動(dòng)化。

DRV8301-69M-KIT 硬件特點(diǎn)：

• 三相逆變器基板，帶接口，可接受 DIMM100 控制卡* DRV8301 三相逆變器集成電源模塊（帶集成 1.5 A 降壓轉(zhuǎn)換器）基板，支持高達(dá) 60 伏和 40 A 連續(xù)電流* TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION卡* 能夠與 MotorWare 配合使用 TMDXCNCD28054MISO（單獨(dú)出售）和 [TMDSCNCD28027F]+ 外部仿真器（單獨(dú)出售）

High-performance, high-efficiency PMSM and BLDC motor drives

The [EVAL-IMM101T]from Infineon Technologies is a full-featured starter kit that includes an [IMM101T Smart IPM] (integrated power module) that provides a fully integrated, turnkey, high-voltage motor drive solution that designers can use with high-performance, high-efficiency PMSM/BLDC motors (Figure 5). The EVAL-IMM101T also includes other necessary circuitry required for “out-of-the-box” evaluation of IMM101T Smart IPMs, such as a rectifier and EMI filter stage, as well as an isolated debugger section with USB connection to a PC.

Figure 5: The IMM101T eval board is a complete solution including a motion control engine (MCE 2.0), gate driver, and 3-phase inverter capable of driving PMSM and BLDC motors using sensorless FOC. (Image source: Infineon Technologies)

The EVAL-IMM101T was developed to support designers during their first steps developing applications with an IMM101T Smart IPM. The eval board is equipped with all assembly groups for sensorless FOC. It contains a single-phase AC connector, EMI filter, rectifier and three-phase output for connecting the motor. The power stage also contains source shunt for current sensing and a voltage divider for DC link voltage measurement.

英飛凌的 IMM101T 采用緊湊的 12 x 12 毫米 （mm） 表面貼裝封裝，為 PMSM/BLDC 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供不同的控制配置選項(xiàng)，最大限度地減少了外部元件數(shù)量和印刷電路板 （PC 板） 面積。該封裝經(jīng)過熱增強(qiáng)，無論是否使用散熱器，其性能都很好。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，以簡化表面安裝并提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

IMM100 系列集成了 500 伏 FredFET 或 650 伏 CoolMOS MOSFET。根據(jù)封裝中采用的功率 MOSFET，IMM100 系列適用于額定輸出功率為 25 瓦 （W） 至 80 W、最大直流電壓為 500 V/600 V 的應(yīng)用。在 600 伏版本中，Power MOS 技術(shù)的額定電壓為 650 伏，而柵極驅(qū)動(dòng)器的額定電壓為 600 伏，這決定了系統(tǒng)的最大允許直流電壓。

24 伏電機(jī)控制評(píng)估系統(tǒng)

24 V PMSM/BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)人員可以求助于瑞薩電子的 [RTK0EM0006S01212BJ] 電機(jī)控制評(píng)估系統(tǒng) [RX23T]微控制器（圖6）。RX23T器件是32位微控制器，適用于單逆變器控制，內(nèi)置浮點(diǎn)單元（FPU），可用于處理復(fù)雜的逆變器控制算法。這有助于大大減少軟件開發(fā)和維護(hù)所需的工時(shí)。

瑞薩電子24伏電機(jī)控制評(píng)估系統(tǒng)圖片

圖 6：瑞薩電子用于 RX24T 微控制器的 23 V 電機(jī)控制評(píng)估系統(tǒng)包括一個(gè)逆變器板，用于驅(qū)動(dòng)評(píng)估包中包含的 PMSM。（圖片來源：瑞薩電子）

此外，由于內(nèi)核的原因，軟件待機(jī)模式（具有RAM保留）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 V，在引腳排列和軟件級(jí)別與 [RX62T] 系列高度兼容。該套件包括：

• 24伏逆變器板* 永磁同步電機(jī)控制功能* 三分流電流檢測功能* 過流保護(hù)功能* 用于 RX23T 微控制器的 CPU 卡* USB 迷你 B 線 * 永磁同步電機(jī)

結(jié)論

BLDC 和 PMSM 可用于提供緊湊高效的精密運(yùn)動(dòng)控制解決方案。將無傳感器矢量控制與 BLDC 和 PMS 電機(jī)結(jié)合使用，增加了消除傳感器硬件的優(yōu)勢，從而降低了成本并提高了可靠性。然而，在這些應(yīng)用中，無傳感器矢量控制可能是一個(gè)復(fù)雜且耗時(shí)的過程。

如圖所示，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向帶有無傳感器矢量控制軟件的開發(fā)平臺(tái)和評(píng)估板。此外，這些開發(fā)環(huán)境包括將所有電機(jī)控制器和電源管理硬件集成到一個(gè)完整的系統(tǒng)中，從而加快了上市時(shí)間。