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电机控制设计基本原理

作者: 浮思特科技2024-06-11 14:56:35

  软件和硬件是所有电机控制系统的重要组成部分,如IGBT、WBG半导体和MCU。工业4.0的发展高度依赖于电机控制,但能源消耗问题日益严峻,同时需求和设计复杂性也在增加,因为许多电子技术需要严格的控制要求,宽带隙(WBG)材料就是一个例子。

  从功能角度看,电机控制包括多个层级。例如,运动控制需要执行非常复杂且计算密集的控制算法。电机控制涵盖了广泛的应用范围,从简单的风扇和泵控制到复杂的工业控制问题,包括机器人和伺服机制。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,由定子(固定部分,即永久磁铁)和转子(移动部分)组成,转子上有与换向器相连的绕组提供电流。通过调节直流电来实现电机的速度控制。为此,根据应用的性质,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、逆变器和信号调理用于控制这种电机的速度。

电机控制

图1:电动三相感应电动机控制的框图

  控制器是一个在控制系统中充当“大脑”的电子设备。使用的控制器数量取决于需要控制的单个过程的数量。对于复杂系统,可能有多个控制器。每个控制器可以向电机发送命令,同时接收来自执行器本身的指令。

  工业应用中的机器人系统主要使用由交流电(AC)供电的三相电机。例如,图1显示了一个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。

  一种直流电机的控制器例子是Trinamic的TMCM-1637 5 A RMS和TMCM-1638 7 A RMS槽型模块,具有两个面向场的控制器/驱动器,添加了霍尔和ABN编码器功能,用于面向场的控制(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电机(BLDC)(见图2)。

电机控制

图2:模块

  IGBT

  绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在电力控制电子设备中体现了一种真正的创新。作为开关解决方案,这种创新来自高开关频率。IGBT代表了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。

  最新的解决方案在开关速度和行为稳定性之间在特别极端的使用条件下(如在汽车行业中实现驱动电机的逆变器)发展了一种良好的关系。一个例子是STMicroelectronics的1200V IGBT S系列。这些IGBT优化用于低频(最高8 kHz)应用,其特点是低Vce(sat)。1200V IGBT S系列基于第三代沟槽栅场截止技术。

  GaN和SiC

  然而,宽带隙材料,如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC),正在电机控制应用中逐步取代基于硅的设备。在电力电子领域,WBG材料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(远超过硅的150°C上限)、在恶劣操作条件下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)具有更高的电子迁移率,这意味着更快的开关速度,因为通常积累在接合处的电荷可以更快速地分散。GaN实现的更快的上升时间、更低的漏源导通电阻(RDS(on))值,以及更低的栅极和输出电容,都有助于其低开关损耗,并能够在高达硅10倍的开关频率下工作。

  减少功率损耗带来了额外的好处,如更高效的电力分配、更少的热散发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,以在设备的安全操作范围内工作。通过使用GaN,可以减少功率消耗并实现无风扇运行,这对于例如电子无人机等轻量级应用特别重要。

  在工业电力应用中,电子设计师可以通过使用SiC MOSFET获得好处,这些好处包括显著的效率提高、更小的散热器尺寸和比传统基于硅的解决方案如IGBT更低的成本。SiC技术在每单位面积上实现了非常低的RDS(on)、高开关频率和在体二极管关断后的反向恢复阶段几乎可以忽略的能量损失。

  在电机控制和电力控制应用中使用SiC设备是一种真正的突破,因为其具有节能、尺寸减小、更高集成度和可靠性的特点。这些特点使其非常适合于汽车和工业自动化控制等高可靠性领域。

  在工业驱动中,需特别注意打开和关闭的换向速度。事实上,SiC MOSFET的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会在长电机电缆上增加电压尖峰,并可能产生共模和差模寄生电流,这可能在一段时间后引起绕组绝缘和电机轴承的故障。尽管更快的开关速度提高了效率,但为了可靠性考虑,工业驱动中的典型dV/dt通常设置在5到10 V/ns之间。

  STMicroelectronics对两个类似的1.2 kV功率晶体管(SiC MOSFET和基于硅的IGBT)进行的比较证明,SiC MOSFET设备在5 V/ns的条件下比Si IGBT在开启和关断时能量损失要少得多(见图3)。

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图3:基于三相逆变器的两级驱动器

  在电机控制和电力控制应用中使用SiC设备是一种真正的突破,因为其具有节能、尺寸减小、更高集成度和可靠性的特点。例如,Infineon Technologies的基于SiC的CoolSiC MOSFET,结合.XT互连技术,在1200 V优化的D²PAK-7 SMD封装中,实现了在功率密度关键的电机驱动段如伺服驱动中被动冷却,从而支持机器人和自动化行业实现免维护和无风扇的电机逆变器(见图4)。

  在自动化中,无风扇解决方案推动了新的设计机会,因为它们节省了维护和材料成本。英飞凌的CoolSiC沟槽MOSFET芯片解决方案结合.XT互连技术,提供了具有吸引力的热性能,适合在具有小型外形的机器人手臂中的驱动集成。CoolSiC MOSFET SMD设备具有3微秒的短路耐受时间,额定从30 mΩ到350 mΩ,满足伺服电机的要求。

电机控制

图4:降低所有操作模式中的传导损失

  微控制器(MCU)

  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设备,如IGBT、SiC和GaN MOSFET、电力二极管等,而软件组件则控制硬件,变得越来越复杂和精细。优化用于控制和管理电力设备的计算架构的可用性使开发人员能够在控制领域获得原本不可能实现的性能。

  例如,NXP Semiconductors和Renesas Electronics提供了几个例子。NXP的MPC57xx系列32位处理器基于Power Architecture技术,用于汽车和工业动力总成应用以及其他汽车控制和功能管理可能性。处理器提供AEC-Q100质量、芯片上安全加密保护以防篡改,并支持ASIL-D和SIL-1功能安全(ISO 26262/ IEC 61508)。它们提供以太网(FEC)、双通道FlexRay和多达6个SCI/8个DSPI/2个I2C用于不同的通信协议。

  Renesas提供了基于Arm Cortex-M4内核的RA6T1 32位MCU,工作频率为120 MHz,并配备了一系列优化用于高性能和精密电机控制的外设。单个RA6T1 MCU可以同时控制多达两个BLDC电机。此外,Google TensorFlow Lite Micro框架用于TinyML应用,为RA6T1 MCU增加了增强的故障检测功能,为客户提供了智能、易用且成本效益高的无传感器电机系统,用于预测性维护。

  电机的要求因应用而异,可能需要针对特定用例进行优化和调整。市场上提供了多种IGBT、WBG半导体和MCU解决方案,以满足这些需求。然而,需要开发新的硬件,以便从处理器卸载实时关键任务,同时实现更多的诊断、预测性维护和AI,以及功能安全系统。

浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供igbt、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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