电机控制设计解决方案

王飞云 2022-08-03 1914

工业控制

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描述

电机控制系统由软件和硬件组件组成，包括 IGBT、WBG 半导体和 MCU，它们变得越来越复杂。

电机控制在工业4.0的技术发展中具有重要的战略作用。工业发展的一个关键问题是能源使用。部分由于工业电动机的电力需求，电力消耗显着增长。由于这些不断增长的需求，在电机控制领域寻找有效的解决方案是开发人员和组件制造商等的首要任务。

随着能源消耗，由于涉及许多需要付出巨大努力的电子技术的严格控制要求，设计复杂性也在增加。一个例子是宽带隙 (WBG) 材料的使用。

从功能的角度来看，电机控制由几个级别组成。例如，运动控制需要执行非常复杂和计算密集型的控制算法。电机控制涵盖了广泛的应用，从简单的风扇和泵控制到更复杂的工业控制问题，包括机器人和伺服机构。在这里，我们来看看电机控制系统的关键组件。

电机和驱动器

直流电机是最常见的，因为它们更便宜并且由一个定子（固定部分）——即永磁体——和一个移动部分（转子）组成，转子包含连接到提供电流的换向器的绕组。电机的速度控制是通过调节直流电来实现的。为此，根据应用的性质，可以使用全桥、半桥或降压转换器来驱动直流电机。

交流电机基本上由一个变压器组成，初级部分连接到交流电压，次级部分传导感应的次级电流。基于微处理器的电子设备、逆变器和信号调节用于控制该电机的速度。

控制器是一种电子设备，在控制系统中充当“大脑”。使用的控制器数量根据需要控制的单个进程的数量而变化。对于一个复杂的系统，可能有许多控制器。这些控制器中的每一个都可以向电机发送命令，同时从执行器本身接收指令。

工业应用中使用的机器人系统主要使用由交流电压 (AC) 供电的三相电机。作为示例，图 1 显示了电子控制电路的框图，其中专用微控制器 (MCU) 生成 PWM 信号。作为 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解决方案更适合实现复杂的数字滤波算法。

变压器

图 1：交流供电的三相感应电机控制框图

直流电机的控制器示例是 Trinamic 的 TMCM-1637 5 - A RMS 和 TMCM-1638 7-A RMS 插槽型模块，带有两个磁场定向控制器/驱动器，为磁场定向控制（或矢量控制）。这些模块支持单相直流电机、两相双极步进电机和三相无刷直流 (BLDC) 电机（图 2）。

变压器

图 2：TMCM-163x 解决方案

IGBT

绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 体现了电力控制电子领域的真正创新。作为开关解决方案，创新来自于高开关频率。IGBT 代表电力控制设备的基本功能，非常适合解决复杂的电机控制问题。

最新的解决方案在特别极端的使用条件下，例如在汽车领域使用逆变器来驱动电动机时，在开关速度和行为稳定性之间建立了良好的关系。一个例子是 STMicroelectronics的 1,200-V IGBT S 系列。这些 IGBT 优化用于低频（高达 8 kHz），并具有低 V ce(sat) 的特点。1,200V IGBT S 系列基于第三代沟槽栅极场截止技术。

氮化镓和碳化硅

然而，WBG 材料、氮化镓和碳化硅正在作为硅基器件的替代品在电机控制应用中取得进展。在电力电子领域，WBG 材料提供的主要优势包括更低的功率损耗、更高的效率、更高的开关频率、更紧凑的尺寸、更高的工作温度（远超过硅可达到的 150°C 上限）、在困难的工作条件下具有更高的可靠性, 和高击穿电压。

例如，GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的更高电子迁移率转化为更高的开关速度，因为通常在接头中积累的电荷可以更快地分散。GaN 可实现更快的上升时间、更低的漏源导通电阻 (R DS(on) ) 值以及更低的栅极和输出电容，所有这些都有助于其低开关损耗和在高达 10 倍的开关频率下工作的能力高于硅。

减少功率损耗会带来额外的好处，例如更高效的配电、更少的散热和更简单的冷却系统。许多电机控制应用需要风扇提供强制空气冷却，以便在设备的安全操作限制内运行。通过使用 GaN，可以降低功耗并实现“无风扇”操作，这在电子无人机等轻量化应用中尤为重要。

在工业电源应用中，电子设计人员还可以通过使用 SiC MOSFET 获得优势，与传统的基于硅的解决方案（如 IGBT）相比，它提供显着的效率改进、更小的散热器尺寸和更低的成本。SiC 技术实现了非常低的单位面积R DS(on)、高开关频率以及在体二极管关闭后发生的反向恢复阶段期间的能量损失可以忽略不计。

由于具有节能、尺寸减小、更高集成度和可靠性等特性，在电机控制和电力控制应用中使用 SiC 器件是一个真正的突破。这些特性使它们非常适合汽车和工业自动化控制等高可靠性领域。

在工业驱动中，必须特别注意开启和关闭换向速度。事实上，SiC MOSFET dV/dt 可以达到比 IGBT 高得多的水平。如果处理不当，高换向 dV/dt 会增加长电机电缆上的电压尖峰，并可能产生共模和差模寄生电流，随着时间的推移，会导致绕组绝缘和电机轴承失效。尽管更快的开启/关闭提高了效率，但出于可靠性原因，工业驱动器中的典型 dV/dt 通常设置为 5 到 10 V/ns。

STMicroelectronics 对两个类似的 1.2-kV 功率晶体管（SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT）进行的比较证明，与Si IGBT，即使在 5 V/ns 的强加条件下（图 3）。

变压器

图 3：基于两电平、三相逆变器的驱动

由于具有节能、尺寸减小、集成机会和可靠性等特性，在电机控制和电力控制应用中使用 SiC 器件是一个真正的突破。除其他选项外，现在可以在逆变器电路中为连接的电机使用最佳开关频率，这在电机设计中具有重要优势。

例如，英飞凌科技的基于 SiC 的 CoolSiC MOSFET 采用 .XT 互连技术，采用 1,200V 优化的 D²PAK-7 SMD 封装，可在伺服驱动器等功率密度关键的电机驱动器领域实现被动冷却，从而支持机器人和自动化行业实施免维护和无风扇电机逆变器（图 4）。

在自动化领域，无风扇解决方案带来了新的设计机会，因为它们节省了维护和材料的成本和精力。例如，英飞凌采用 .XT 互连技术的 CoolSiC 沟槽 MOSFET 芯片解决方案以小巧的外形提供极具吸引力的散热能力，使其非常适合于机械臂中的驱动集成。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受时间为 3 µs，额定值为 30 mΩ 至 350 mΩ。这符合伺服电机的要求。

变压器

图 4：所有工作模式下的传导损耗降低

微控制器

电机控制解决方案由硬件和软件组件组成。硬件组件是电子控制器件，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功率二极管等，而软件组件则解决了硬件的控制，这变得越来越复杂和精密。针对功率设备的控制和管理进行了优化的计算架构的可用性使开发人员能够获得在控制领域不可能实现的性能。

几个例子来自恩智浦半导体和瑞萨电子。NXP 的 MPC57xx 系列 32 位处理器基于 Power Architecture 技术，适用于汽车和工业动力系统应用以及其他汽车控制和功能管理可能性。这些处理器提供 AEC-Q100 质量、用于防篡改的片上安全加密保护，并支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全 (ISO 26262/IEC 61508)。它们为不同的通信协议提供以太网 (FEC)、双通道 FlexRay 和高达 6 SCI/8 DSPI/2 I 2 C。

瑞萨电子提供基于 Arm Cortex-M4 内核的 RA6T1 32 位 MCU，以 120 MHz 的频率运行，并带有一系列针对高性能和精密电机控制而优化的外设。单个 RA6T1 MCU 最多可同时控制两个 BLDC 电机。此外，用于 TinyML 应用程序的 Google TensorFlow Lite Micro 框架为 RA6T1 MCU 增加了增强的故障检测功能，为客户提供智能、易于使用且经济高效的无传感器电机系统，用于预测性维护。

电机要求因应用而异，可能需要针对特定用例进行优化和微调。市场提供了多种 IGBT、WBG 半导体和 MCU 方面的解决方案来满足这些要求。但是，需要开发新硬件，从处理器卸载实时关键任务，同时支持更多诊断、预测性维护和人工智能以及功能安全系统。

审核编辑：郭婷

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