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掌握驅(qū)動(dòng)算法,玩轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

發(fā)布時(shí)間:2013-02-01 責(zé)任編輯:abbywang

【導(dǎo)讀】電機(jī)能耗占世界能耗的一半左右,提高電機(jī)效率,符合節(jié)能減排的要求是當(dāng)務(wù)之急。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最大難點(diǎn)在于成本和算法,其算法和精度及可靠性又密切相關(guān)。電機(jī)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(yōu)異的算法去控制電機(jī)。


在我們的家庭里面,所有的家電除了電視機(jī)以外,幾乎都包含了電機(jī):從抽油煙機(jī)、微波爐、灶具,燃?xì)鉄崴?、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào),再到硬盤、DVD機(jī),全都和電機(jī)有關(guān)。另外,在汽車當(dāng)中,所使用的電機(jī)數(shù)量達(dá)上百個(gè)之多。其中的很多產(chǎn)品(例如硬盤),對(duì)電機(jī)控制的精度和可靠性要求非常之高。

算法和可靠性

德州儀器(TI)公司半導(dǎo)體事業(yè)部市場(chǎng)推廣經(jīng)理李志林指出,國(guó)內(nèi)的家用電器廠商在電機(jī)的控制算法上處于弱勢(shì);而至于硬件方面,根據(jù)不同要求集成不同的功能和硬件,可以提高產(chǎn)品的可靠性。另外,現(xiàn)在的一些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件集成了MCU,這也是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)發(fā)展方向。根據(jù)不同的應(yīng)用需要,電機(jī)有很多的控制算法,包括:120度、150度或180度梯形波、FOC算法、無(wú)位置檢測(cè)、PID調(diào)節(jié)算法等。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可靠性,需要設(shè)計(jì)各種保護(hù),比如:熱保護(hù)、欠壓保護(hù)和防止導(dǎo)通的保護(hù)等。然而,在以往的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中,幾乎難以找到過(guò)流保護(hù)(OCP)——這些器件對(duì)于這一保護(hù)而言,只能夠靠熱保護(hù)去響應(yīng)。

他介紹,TI有一個(gè)專門針對(duì)電機(jī)做控制算法的實(shí)驗(yàn)室Kilby Lab。該實(shí)驗(yàn)室致力于將算法做得更完善,把可靠性提上去。在可靠性方面,若采用熱保護(hù)的話,在溫度達(dá)到某一溫度(比如150度)時(shí)再直接關(guān)斷,響應(yīng)可能無(wú)法滿足實(shí)際需要:比如人為的短路,在發(fā)熱溫度檢測(cè)還來(lái)不及保護(hù)的時(shí)候就會(huì)燒毀。過(guò)流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)的話,器件也容易被燒毀。另外,電機(jī)在起動(dòng)的瞬間,沖擊電流特別大。若在此時(shí)執(zhí)行電流檢測(cè)的話,器件會(huì)實(shí)施過(guò)流保護(hù)。因此,設(shè)置一個(gè)關(guān)斷時(shí)間,把這個(gè)時(shí)間忽略掉,超過(guò)這個(gè)時(shí)間點(diǎn)以后,再做電流檢測(cè),就可以繞開起動(dòng)時(shí)的過(guò)流保護(hù)。

TI DRV8電機(jī)驅(qū)動(dòng)系列的一個(gè)主要特點(diǎn),就在于它的可靠性。另外,在DRV8系列中集成了MCU,這樣,大家在使用的時(shí)候,就不需要在外部再附加單片機(jī);或者,只需要用主處理器和驅(qū)動(dòng)器通信,“告訴”它走幾步或者發(fā)一個(gè)命令即可。這樣便提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的易用性,而無(wú)需知道其后臺(tái)是如何操作的。對(duì)于TI而言,電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方向也就是如此——盡可能做到器件方便操作和易于使用。

漏源導(dǎo)通電阻RDS(ON)

某些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中集成了MOSFET,這樣,其漏源導(dǎo)通電阻(RDS(ON))便決定了驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱情況。對(duì)于一個(gè)5A的電機(jī),所有的電流都將流過(guò)它的線圈。若芯片當(dāng)中集成了兩個(gè)H橋,在驅(qū)動(dòng)的時(shí)候,就相當(dāng)于有兩個(gè)半橋在導(dǎo)通(兩個(gè)半橋相當(dāng)于4個(gè)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(fā)熱量便越小。例如,TI的DVR8818就是一款RDS(ON)極低的驅(qū)動(dòng)器件(上管與下管RDS(ON)之和為0.37Ω)。

圖題:電機(jī)驅(qū)動(dòng)
圖題:電機(jī)驅(qū)動(dòng)
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口模式

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)行控制;Phase/Enable模式即輸出由相位(方向)和每個(gè)H橋的使能信號(hào)控制;Step/Direction模式則是根據(jù)脈沖和方向進(jìn)行控制。

李志林解釋道,某些傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器的電流規(guī)格類似,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),接口模式卻不一樣。接口模式不一樣的話,在應(yīng)用過(guò)程中就需要修改軟件,因?yàn)檫@兩種模式要求CPU發(fā)出的PWM脈沖的占空比和個(gè)數(shù)都不一樣。這樣,若將兩種接口模式做成兼容,便可以采用一個(gè)管腳,選擇是采用Step/Direction模式還是采用Phase Enable模式,而不用再為其更改軟件(例如,DRV8834就是一種Step/Direction模式和Phase Enable模式可選的產(chǎn)品)。

細(xì)分和混合衰減模式

步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行細(xì)分控制。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器而言,可以將細(xì)分(1/8細(xì)分直到1/256細(xì)分)的索引表集成進(jìn)去。另外,可以通過(guò)設(shè)置控制字(例如1/8細(xì)分驅(qū)動(dòng)),在無(wú)細(xì)分、1/2細(xì)分、1/4細(xì)分和1/8細(xì)分之間進(jìn)行選擇。

步進(jìn)電機(jī)每加一個(gè)脈沖,便會(huì)走一步。當(dāng)沒(méi)有脈沖或者是脈沖關(guān)斷的時(shí)候,電流就會(huì)降下來(lái),電機(jī)就會(huì)停步。但是由于電感很大,電流不能突變,這時(shí)便可以采用算法來(lái)控制電流的衰減速度。李志林談道,衰減模式可以分為慢衰減模式和快衰減模式。將慢衰減和快衰減模式結(jié)合起來(lái)(混合衰減模式),便可以根據(jù)實(shí)際要求,對(duì)停步造成的系統(tǒng)噪聲和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平滑度進(jìn)行調(diào)整。

步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)的時(shí)候,電流波形最好是正弦波,因?yàn)檫@時(shí)的諧波分量較低、EMI較小且控制精度也較高。但在細(xì)分的時(shí)候,會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題:過(guò)零點(diǎn)的失真會(huì)導(dǎo)致誤沖。這時(shí),在驅(qū)動(dòng)器中,可以采用動(dòng)態(tài)的TBLANK(間隔時(shí)間),來(lái)減小波形過(guò)零點(diǎn)的失真;另外,可以采用可調(diào)的混合衰減模式(比如先快后慢),來(lái)減小di/dt過(guò)零時(shí)的電感放電失真。

無(wú)傳感器BLDC

有刷電機(jī)與直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)的區(qū)別在于是否具有碳刷。有刷電機(jī)通過(guò)在轉(zhuǎn)向器上刻上槽,用不同的炭刷去接觸而實(shí)現(xiàn)換向。而BLDC則沒(méi)有炭刷,因?yàn)樘克⒌拇嬖跁?huì)影響其機(jī)械壽命。另外,有刷電機(jī)存在噪音——由于炭刷和不同的繞組之間存在絕緣點(diǎn),有刷電機(jī)在切換的時(shí)候會(huì)打火。因此,將有刷電機(jī)替換為BLDC將會(huì)是一個(gè)趨勢(shì),同時(shí),其效率也非常高。

李志林介紹,有些BLDC風(fēng)扇采用霍爾器件來(lái)替換傳統(tǒng)的換向器。由于霍爾器件需要電源供電,引線的數(shù)量將會(huì)較多。同時(shí),霍爾器件本身存在使用壽命。因此,在高溫和高可靠性的場(chǎng)合不宜采用霍爾器件。另外,霍爾器件體積的限制也決定了不可能把它放在其中。這種情況下,若采用無(wú)傳感器BLDC(即無(wú)換向檢測(cè)的BLDC),應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)換向,就要看硬件的高招了。有很多的算法專門做這種BLDC的驅(qū)動(dòng),比如采用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

BLDC風(fēng)扇的要求在于:第一,起動(dòng)沒(méi)有問(wèn)題。雖然沒(méi)有相位檢測(cè),但在任何情況下都能起動(dòng)。第二,不能出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的可能。這對(duì)可靠性的要求非常地高。TI的DRV10863便是一個(gè)雙向的BLDC驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)集成1安培的高/低端MOSFET,這款產(chǎn)品使用起來(lái)非常方便。另外,它集成的過(guò)流保護(hù),可以方便調(diào)節(jié)過(guò)流保護(hù)點(diǎn)。DRV10863采用無(wú)傳感器BACK EMF控制方式去檢測(cè)相位,其電流波形接近于正弦波,并采用150度梯形波進(jìn)行調(diào)整。
 

 

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