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三畅创新研发仪表、助力工业自动化升级

将无传感器矢量控制与BLDC和PMS电机配合使用可提供精确的运动控制

来源: 编辑: 发布日期:2021-03-11
在诸如机器人,无人机,医疗设备和工业系统之类的应用中,对精确运动控制的需求正在增长。无刷直流电动机(BLDC)和交流驱动永磁同步电动机(PMSM)可以提供所需的精度,同时还可以在紧凑的外形尺寸中满足对高效率的需求。但是,与易于连接和运行的有刷直流电动机和交流感应电动机不同,BLDC和PMSM更加复杂。
 
例如,诸如无传感器矢量控制(也称为磁场定向控制或FOC)之类的技术尤其具有出色的效率,并且具有消除传感器硬件的优势,从而降低了成本并提高了可靠性。设计人员面临的问题是,无传感器矢量控制的实施复杂,因此其使用会延长开发时间,增加成本并可能缩短产品上市时间。
 
       为了解决这一难题,设计人员可以求助于已经嵌入了无传感器矢量控制App的开发平台和评估板,从而使他们能够专注于系统设计问题,而不会为控制App的编码所困扰。此外,这些开发环境将所有电机控制器和电源管理硬件集成到一个完整的系统中,从而加快了产品上市时间。
 
       本文简要先容了精确运动控制的一些需求,并回顾了有刷直流,交流感应,BLDC和PMSM之间的差异。然后先容了矢量控制的基础常识,然后先容了德州仪器(Texas Instruments),英飞凌(Infineon Technologies)和瑞萨电子(Renesas Electronics)的多个平台和评估板,以及有助于精确运动控制系统开发的设计指南。
 
精密运动控制应用实例
       无人机是复杂的运动控制系统,通常使用四个或更多电动机。需要精确而协调的运动控制,以使无人机能够悬停,爬升或下降(图1)。
 
       要进行悬停,必须将向上推动无人机的转子的净推力保持平衡,并完全等于将其拉下的重力。通过平均增加转子的推力(速度),无人机可以直线上升。相反,减小转子推力会使无人机下降。另外,还有偏航(旋转无人机),俯仰(使无人机向前或向后飞行)和横滚(将无人机向左或向右飞行)。
 
精确且重复的运动是许多机器人应用程序的功能之一。固定式多轴工业机器人必须在三个维度上传递不同大小的力,才能移动重量不同的物体(图2)。机器人内部的电动机在精确的点上提供可变的速度和转矩(旋转力),机器人的控制器使用这些电动机来协调沿不同轴的运动以实现精确的速度和定位。
 
       对于轮式移动机器人,可以使用精密的差动驱动系统来控制运动的速度和方向。使用两个电动机与一个或两个脚轮一起提供运动,以平衡负载。两个电动机以不同的速度驱动以实现旋转和方向变化,而两个电动机的相同速度导致直线运动,向前或向后。尽管与传统的转向系统相比,电动机控制器更为复杂,但这种方法更精确,机械更简单,因此更可靠。
 
电机选择
       基本的直流电动机和交流感应电动机相对便宜且易于驱动。它们被广泛用于从吸尘器到工业机械,起重机和电梯的各种应用。然而,尽管它们便宜且易于驱动,但是它们不能提供诸如机器人技术,无人机,医疗设备和精密工业设备之类的应用所需的精确操作。
 
       一个简单的有刷直流电动机通过使用换向器和电刷与旋转协调地机械切换电流方向来产生扭矩。有刷直流电动机的缺点包括由于电刷的磨损以及电气和机械噪声的产生而需要维护。可以使用脉冲宽度调制(PWM)驱动器来控制旋转速度,但是由于有刷直流电动机的固有机械特性,因此很难进行精确控制和高效率。
 
       BLDC消除了有刷直流电动机的换向器和电刷,并且根据定子的缠绕方式,它也可以是PMSM。定子线圈在BLDC电机中呈梯形缠绕,产生的反电动势(EMF)具有梯形波形,而PMSM定子呈正弦形缠绕并产生正弦反电动势(E bemf)(图3)。
 
BLDC和PMSM电动机的扭矩是电流和反电动势的函数。BLDC电机由方波电流驱动,而PMSM电机由正弦电流驱动。
 
BLDC电机特性:
 
       六步方波直流电流更易于控制
       产生明显的转矩脉动
       比PMSM更低的成本和性能
       可以与霍尔效应传感器或无传感器控制一起实施
PMSM功能:
 
       使用三相正弦波PWM进行更复杂的控制
       无转矩波动
       比BLDC更高的效率,扭矩和成本
       可以与轴编码器或无传感器控制一起实现
 
什么是矢量控制?
       矢量控制是一种变频电动机驱动控制方法,其中,将三相电动机的定子电流标识为可以用矢量显示的两个正交分量。一个分量定义了电动机的磁通量,另一个分量定义了转矩。矢量控制算法的核心是两个数学变换:Clarke变换将三相系统修改为两坐标系统,而Park变换将两相平稳系统矢量转换为旋转系统矢量及其逆。
 
       使用Clarke和Park变换可将可控制的定子电流带入转子域。这样做可以使电动机控制系统确定应提供给定子的电压,以在动态变化的负载下非常大化转矩。
 
       高性能的速度和/或位置控制需要实时准确地了解转子轴的位置和速度,以便将相位激励脉冲与转子位置同步。该信息通常由传感器(例如,安装在电动机轴上的绝对编码器和电磁分解器)提供。这些传感器具有几个系统缺点:可靠性低,对噪声的敏感性,成本和重量更大以及复杂性更高。无传感器矢量控制消除了对速度/位置传感器的需求。
 
       高性能微处理器和数字信号处理器(DSP)使现代高效的控制理论得以体现在高级系统建模中,从而确保了任何实时电动机系统的非常佳功率和控制效率。可以预期,由于计算能力的提高和微处理器和DSP成本的下降,无传感器控制将几乎普遍取代传感器矢量控制,以及简单但性能较低的单变量标量伏/赫兹(V / f ) 控制。
 
驱动用于工业和消费机器人的三相PMSM和BLDC电机
为了解决矢量控制的复杂性,设计人员可以使用现成的评估板。例如,德州仪器(TI)的DRV8301-69M-KIT是基于DIMM100 controlCARD的主板评估模块,设计人员可以使用该模块来开发三相PMSM / BLDC电机驱动解决方案(图4)。它包括具有双电流分流放大器和降压稳压器的DRV8301三相栅极驱动器,以及支撑InstaSPIN的Piccolo TMS320F28069M微控制器(MCU)板。
三相PMSM / BLDC电动机驱动器解决方案
DRV8301-69M-KIT是基于InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION的德州仪器(TI)技术的电机控制评估套件,用于旋转三相PMSM和BLDC电机。借助InstaSPIN,DRV8301-69M-KIT可使开发人员快速识别,自动调整和控制三相电动机,从而提供“即时”稳定且功能齐全的电动机控制系统。
 
       结合InstaSPIN技术,DRV8301-69M-KIT提供了高性能,高能效,经济高效的无传感器或启用编码器传感器的FOC平台,可加快开发速度,加快上市时间。应用包括用于驱动泵,门,升降机和风扇的60伏特和40安培(A)以下的同步电动机,以及工业和消费机器人技术和自动化领域。
 
DRV8301-69M-KIT硬件功能:
 
       带有接口的三相逆变器基板,可接收DIMM100 controlCARD
       DRV8301三相逆变器集成电源模块(带有集成的1.5 A降压转换器)基板,支撑高达60伏和40 A连续
       TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION卡
       与MotorWare支撑的TMDXCNCD28054MISO(另售)和TMDSCNCD28027F +外部仿真器(另售)一起使用的能力
 
高性能,高效率PMSM和BLDC电机驱动器
       Infineon Technologies的EVAL-IMM101T是功能齐全的入门工具包,其中包括IMM101T Smart IPM(集成电源模块),该模块提供了一个完全集成的,交钥匙的高压电机驱动解决方案,设计人员可以将其与高性能,高效PMSM / BLDC电机(图5)。EVAL-IMM101T还包括对IMM101T智能IPM进行“开箱即用”评估所需的其他必要电路,例如整流器和EMI滤波器级,以及带有USB连接到PC的隔离调试器部分。
 
       EVAL-IMM101T的开发旨在为设计人员在使用IMM101T智能IPM开发应用程序的非常好步提供支撑。评估板配备了用于无传感器FOC的所有组件组。它包含一个单相交流连接器,EMI滤波器,整流器和用于连接电动机的三相输出。功率级还包含用于电流检测的电源分流器和用于直流母线电压测量的分压器。
 
       英飞凌的IMM101T采用紧凑的12 x 12毫米(mm)表面安装封装,为PMSM / BLDC驱动系统提供了不同的控制配置选项,从而非常大限度地减少了外部组件数量和印刷电路板(pc board)面积。该封装经过热增强,因此无论有无散热片都可以很好地发挥性能。该封装在封装下方的高压焊盘之间具有1.3 mm的爬电距离,从而简化了表面安装并提高了系统的坚固性。
 
       IMM100系列集成了500伏FredFET或650伏CoolMOS MOSFET。根据封装中使用的功率MOSFET,IMM100系列适用于额定输出功率从25瓦(W)到80 W且非常大直流电压为500伏/ 600伏的应用。在600伏版本中,Power MOS技术的额定电压为650伏,而栅极驱动器的额定电压为600伏,这决定了系统的非常大允许DC电压。
 
24伏电机控制评估系统
       24伏PMSM / BLDC电动机驱动器的设计人员可以使用瑞萨电子针对RX23T微控制器的RTK0EM0006S01212BJ电动机控制评估系统(图6)。RX23T器件是32位微控制器,适用于具有内置浮点单元(FPU)的单逆变器控制,使它们能够用于处理复杂的逆变器控制算法。这有助于大大减少App开发和维护所需的工时。
 
此外,由于采用了内核,因此在App待机模式(具有RAM保留)下消耗的电流仅为0.45微安(μA)。RX23T微控制器的工作电压范围为2.7至5.5伏,并在引脚排列和App级别上与RX62T线路高度兼容。该套件包括:
 
       24伏逆变器板
       PMSM控制功能
       三路电流检测功能
       过电流保护功能
       RX23T微控制器的CPU卡
       USB mini B电缆
       永磁同步电机
结论
       BLDC和PMSM可用于提供紧凑而高效的精密运动控制解决方案。在BLDC和PMS电机上使用无传感器矢量控制具有消除传感器硬件的优势,从而降低了成本并提高了可靠性。但是,在这些应用中,无传感器矢量控制可能是一个复杂且耗时的过程。
 
       如图所示,设计人员可以求助于无传感器矢量控制App随附的开发平台和评估板。此外,这些开发环境将所有电机控制器和电源管理硬件集成到一个完整的系统中,从而加快了产品上市时间。
 

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