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電機控制及驅動算法的一些知識
作者: 发布于:2014/7/5 17:50:56 点击量:


 電機驅動的最大難點在于成本和算法,其算法和精度及可靠性又密切相關。此外,電機能耗占世界能耗的一半左右,電機效率的提高,符合節能減排的要求。德州儀器(TI)公司半導體事業部市場推廣經理李志林(圖1)強調,電機控制的核心在于它的控制算法:除了硬件之外,最重要的要求是如何用更優異的算法去控制電機。

在我們的家庭裏面,所有的家電除了電視機以外,幾乎都包含了電機:從抽油煙機、微波爐、竈具,燃氣熱水器、洗衣機、冰箱、空調,再到硬盤、DVD機,全都和電機有關(圖2)。另外,在汽車當中,所使用的電機數量達上百個之多。其中的很多産品(例如硬盤),對電機控制的精度和可靠性要求非常之高。

算法和可靠性

李志林指出,國內的家用電器廠商在電機的控制算法上處于弱勢;而至于硬件方面,根據不同要求集成不同的功能和硬件,可以提高産品的可靠性。另外,現在的一些電機驅動器件集成了MCU,這也是電機驅動的一個發展方向。根據不同的應用需要,電機有很多的控制算法,包括:120度、150度或180度梯形波、FOC算法、無位置檢測、PID調節算法等。對于電機驅動的可靠性,需要設計各種保護,比如:熱保護、欠壓保護和防止導通的保護等。然而,在以往的電機驅動器中,幾乎難以找到過流保護(OCP)——這些器件對于這一保護而言,只能夠靠熱保護去響應。

他介绍,TI有一个专门针对电机做控制算法的实验室Kilby Lab。该实验室致力于将算法做得更完善,把可靠性提上去。在可靠性方面,若采用热保护的话,在温度达到某一温度(比如150度)时再直接关断,响应可能无法满足实际需要:比如人为的短路,在发热温度检测还来不及保护的时候就会烧毁。过流保护响应时间太长的话,器件也容易被烧毁。另外,电机在起动的瞬间,冲击电流特别大。若在此时执行电流检测的话,器件会实施过流保护。因此,设置一个关断时间,把这个时间忽略掉,超过这个时间点以后,再做电流检测,就可以绕开起动时的过流保护。

TI DRV8电机驱动系列的一个主要特点,就在于它的可靠性。另外,在DRV8系列中集成了MCU,这样,大家在使用的时候,就不需要在外部再附加单片机;或者,只需要用主处理器和驱动器通信,“告诉”它走几步或者发一个命令即可。这样便提高了电机驱动的易用性,而无需知道其后台是如何操作的。对于TI而言,电机驱动的发展方向也就是如此——尽可能做到器件方便操作和易于使用。

細分和混合衰減模式

步進電機需要進行細分控制。對于步進電機驅動器而言,可以將細分(1/8細分直到1/256細分)的索引表集成進去。另外,可以通過設置控制字(例如1/8細分驅動),在無細分、1/2細分、1/4細分和1/8細分之間進行選擇。

步進電機每加一個脈沖,便會走一步。當沒有脈沖或者是脈沖關斷的時候,電流就會降下來,電機就會停步。但是由于電感很大,電流不能突變,這時便可以采用算法來控制電流的衰減速度。李志林談道,衰減模式可以分爲慢衰減模式和快衰減模式。將慢衰減和快衰減模式結合起來(混合衰減模式),便可以根據實際要求,對停步造成的系統噪聲和電機運轉的平滑度進行調整。

步進電機在驅動的時候,電流波形最好是正弦波,因爲這時的諧波分量較低、EMI較小且控制精度也較高。但在細分的時候,會遇到一個問題:過零點的失真會導致誤沖。這時,在驅動器中,可以采用動態的TBLANK(間隔時間),來減小波形過零點的失真;另外,可以采用可調的混合衰減模式(比如先快後慢),來減小di/dt過零時的電感放電失真。

漏源導通電阻RDS(ON)

某些電機驅動器當中集成了MOSFET,這樣,其漏源導通電阻(RDS(ON))便決定了驅動器的發熱情況。對于一個5A的電機,所有的電流都將流過它的線圈。若芯片當中集成了兩個H橋,在驅動的時候,就相當于有兩個半橋在導通(兩個半橋相當于4個MOSFET)。這樣,芯片的功耗就等于電流的平方乘以4RDS(ON)。因此,RDS(ON)越低,芯片的發熱量便越小。例如,TI的DVR8818就是一款RDS(ON)極低的驅動器件(上管與下管RDS(ON)之和爲0.37Ω)。

步進電機驅動器接口模式

步進電機驅動器大致有三種接口模式:PWM模式、Phase/Enable模式和Step/Direction模式。PWM模式即采用MCU程序進行控制;Phase/Enable模式即輸出由相位(方向)和每個H橋的使能信號控制;Step/Direction模式則是根據脈沖和方向進行控制。

李志林解释道,某些传统的驱动器的电流规格类似,但在实际应用时,接口模式却不一样。接口模式不一样的话,在应用过程中就需要修改软件,因为这两种模式要求CPU发出的PWM脉冲的占空比和个数都不一样。这样,若将两种接口模式做成兼容,便可以采用一个管脚,选择是采用Step/Direction模式还是采用Phase Enable模式,而不用再为其更改软件(例如,DRV8834就是一种Step/Direction模式和Phase Enable模式可选的产品)。

無傳感器BLDC

有刷電機與直流無刷電機(BLDC)的區別在于是否具有碳刷。有刷電機通過在轉向器上刻上槽,用不同的炭刷去接觸而實現換向。而BLDC則沒有炭刷,因爲炭刷的存在會影響其機械壽命。另外,有刷電機存在噪音——由于炭刷和不同的繞組之間存在絕緣點,有刷電機在切換的時候會打火。因此,將有刷電機替換爲BLDC將會是一個趨勢,同時,其效率也非常高。

李志林介绍,有些BLDC风扇采用霍尔器件来替换传统的换向器。由于霍尔器件需要电源供电,引线的数量将会较多。同时,霍尔器件本身存在使用寿命。因此,在高温和高可靠性的场合不宜采用霍尔器件。另外,霍尔器件体积的限制也决定了不可能把它放在其中。这种情况下,若采用無傳感器BLDC(即无换向检测的BLDC),应如何实现换向,就要看硬件的高招了。有很多的算法专门做这种BLDC的驱动,比如采用反电动势检测的方法来实现。

BLDC风扇的要求在于:第一,起动没有问题。虽然没有相位检测,但在任何情况下都能起动。第二,不能出现反转的可能。这对可靠性的要求非常地高。TI的DRV10863便是一个双向的BLDC驱动器。通过集成1安培的高/低端MOSFET,这款产品使用起来非常方便。另外,它集成的过流保护,可以方便调节过流保护点。DRV10863采用无传感器BACK EMF控制方式去检测相位,其电流波形接近于正弦波,并采用150度梯形波进行调整。



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