中心議題：
- 磁場(chǎng)定向控制技術(shù)
- 無位置傳感器控制技術(shù)
- 變速驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的HVIC技術(shù)
- 三相混合式多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
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基于一種低成本的新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研制
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高效節(jié)能是目前電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)總的發(fā)展趨勢(shì)，因此，電子產(chǎn)品對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的高效率和低功耗提出了更高的要求。在此要求之下，馬達(dá)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)在小型化、高效率、低噪聲和更高的可靠性方面有了更進(jìn)一步的發(fā)展。本文介紹馬達(dá)控制技術(shù)（包括控制器和驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)技術(shù)）的最新進(jìn)展，主要從磁場(chǎng)定向控制技術(shù)、無位置傳感器控制技術(shù)、HVIC驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)及三相混合式多細(xì)分電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)技術(shù)的角度進(jìn)行分析。
磁場(chǎng)定向控制提升性能和功效
磁場(chǎng)定向控制（Field-Oriented Control, FOC）, 有時(shí)也稱之為磁束矢量控制——是一種能夠使永磁同步電機(jī)（或無刷伺服電機(jī)）在整個(gè)速率范圍內(nèi)獲得最高性能的方法。其特點(diǎn)是通過坐標(biāo)變換技術(shù)把交流電機(jī)的定子電流分解為轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁分量，從而實(shí)現(xiàn)象直流電機(jī)一樣控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和磁通，使交流電動(dòng)機(jī)的控制的動(dòng)態(tài)指標(biāo)和精度大大提高。
磁場(chǎng)定向控制的總體流程如圖1所示：
圖1 磁場(chǎng)定向控制的總體流程
從控制原理上講，磁場(chǎng)定向控制方法的電流環(huán)運(yùn)行是獨(dú)立于電機(jī)旋轉(zhuǎn)的。在FOC方法中存在兩個(gè)實(shí)際的電流環(huán)，一個(gè)用于Q軸轉(zhuǎn)矩，另一個(gè)用于D軸轉(zhuǎn)矩。Q軸轉(zhuǎn)矩電流環(huán)施以來自伺服控制器的用戶目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，D軸電流環(huán)則施以零輸進(jìn)指令，以便使不想要的直軸分量降至最低。
FOC的主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：
- 可提供低速（低至0rpm）大力矩（小于0.5%的力矩波動(dòng)）；
- 即使在高速時(shí)也保持高效率；
- 在電壓限制范圍內(nèi)磁場(chǎng)弱化時(shí)可完全控制
- 力矩和電流響應(yīng)時(shí)間小于0.2ms；
- 電流控制器帶寬大于2000Hz。
由于磁場(chǎng)定向控制可為電機(jī)提供寬泛的可用速度范圍，該方法已成為無刷直流電機(jī)的一種重要驅(qū)動(dòng)和換相方法，同樣也成為交流感應(yīng)電機(jī)的控制方法之一。采用FOC方法的交流感應(yīng)電機(jī)可以使電機(jī)運(yùn)行效率進(jìn)步到85%，相比之下，不采用磁場(chǎng)定向方法卻只有60%左右。另外，采用FOC方法的無刷直流電機(jī)甚至可以達(dá)到更高的效率，即高達(dá)95%。
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無位置傳感器控制技術(shù)
在一些應(yīng)用場(chǎng)合要求使用的電機(jī)體積小、效率高、轉(zhuǎn)速高，微型永磁無刷直流電機(jī)能夠較好地滿足要求。無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)，目前國內(nèi)外研究人員提出了諸多方法，其中反電動(dòng)勢(shì)法最為簡單、可靠，應(yīng)用范圍最廣泛。
實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)電子換相及PWM控制的逆變器主電路如圖a所示。采用兩兩通電方式，即每一個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔60°電角度換相1次，每一功率管導(dǎo)通120°電角度。功率管的導(dǎo)通順序是：V6V1→V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6。
圖2 逆變器主電路和點(diǎn)擊的反電動(dòng)勢(shì)波形圖
無位置傳感器控制系統(tǒng)以C8051F330單片機(jī)、逆變橋電路、端電壓檢測(cè)電路、穩(wěn)壓電路等組成。逆變橋電路中上橋臂為P型MOSFET器件FDS6679，下橋臂為N型MOSFET器件M4410B，均為低電壓驅(qū)動(dòng)器件。FDS6679通過一個(gè)NPN型三極管驅(qū)動(dòng)，而M4410B由C8051F330的P1口直接驅(qū)動(dòng)(P1口設(shè)置成推挽輸出)。PWM控制模式定為：PWM僅應(yīng)用于半橋的下端MOSFET，同時(shí)換流的上端(對(duì)角線)MOSFET僅起換相通斷控制。
電源電壓和電流的檢測(cè)：當(dāng)UV相通電，在PWM開通期間檢測(cè)U相的端電壓Uu，由于MOSFET的通態(tài)電壓很小(小于0．1V)，端電壓uu可以近似看作是電源電壓UD；在下橋臂源極和電源地之間串接采樣電阻，通過P0．4口檢測(cè)電阻電壓得到電流值，輸入信號(hào)先經(jīng)過內(nèi)部可編程增益放大器放大，再作A／D轉(zhuǎn)換。
圖3 無位置傳感器控制系統(tǒng)的硬件電路圖
無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制
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變速驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的HVIC技術(shù)
可變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以提高機(jī)器設(shè)備的能源效率，最新的HVIC(高壓集成電路)技術(shù)使得大多數(shù)必需的反饋和保護(hù)器件可以制作在一個(gè)基片上，這樣就可以在范圍更大的市場(chǎng)和應(yīng)用里，來實(shí)現(xiàn)成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊的可變速驅(qū)動(dòng)。
HVIC技術(shù)使得位準(zhǔn)移動(dòng)成為可能，即感測(cè)一個(gè)漂移在大的普通模式電壓上的小差分電壓，甚至在快速瞬變的時(shí)候。因此，快速而準(zhǔn)確的電流感測(cè)在電機(jī)的相位超前就可實(shí)現(xiàn)，從而可以減少硬件設(shè)計(jì)和信號(hào)處理的工作。具體的實(shí)現(xiàn)方法是將一個(gè)低側(cè)接地CMOS電路和一個(gè)高側(cè)浮動(dòng)CMOS制作到一起，通過N或P溝道LDMOS區(qū)域相隔離。LDMOS的作用是位準(zhǔn)移動(dòng)，目的是在低側(cè)和高側(cè)電路之間跨過高壓柵來傳遞控制信號(hào)。位準(zhǔn)移動(dòng)電路不受高達(dá)50V/ns的快速瞬變的影響，同樣也不受來自于IGBT變換器典型的10V/ns噪聲的干擾。
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電機(jī)電流是通過使用一個(gè)外部分流晶體管來感測(cè)的，HVIC可將小的差分電壓(±250mV)通過一個(gè)精密電路轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，這個(gè)精密電路的紋波去除功能有助于顯示小的群延遲。時(shí)間間隔是快速瞬變的，會(huì)被帶到輸出端。這樣就可以獲得與測(cè)量電流相對(duì)應(yīng)的模擬輸出電壓，以便與外部參考電壓相比較，最大采樣率為40kSPS。對(duì)于頻率高達(dá)20kHz的非對(duì)稱PWM調(diào)制來講，這個(gè)采樣速率富富有余。20kHz時(shí)的最大延遲小于7.5s，對(duì)于被用來IGBT保護(hù)的電流感測(cè)信號(hào)來說也夠快了。圖4是電流感測(cè)電路。
圖4 HVIC應(yīng)用中線性相電流感測(cè)電路
變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的HVIC技術(shù)
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三相混合式多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制從本質(zhì)上講是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的定子繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)按某種要求變化，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。最佳的細(xì)分方式是恒轉(zhuǎn)矩等步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，各相繞組的合成磁場(chǎng)矢量，即各相繞組電流的合成矢量應(yīng)在空間作幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就需要在各相繞相中通以正弦電流。
三相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理十分類似于永磁同步伺服電機(jī)。其轉(zhuǎn)子上所用永磁磁鐵同樣是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的影響可忽略不計(jì)。在結(jié)構(gòu)上，它相當(dāng)于一種多極對(duì)數(shù)的交流永磁同步電機(jī)。
驅(qū)動(dòng)器的總體方案如圖5所示，主要包括單片機(jī)電路、電流追蹤型SPWM電路和功率驅(qū)動(dòng)電路組成。
圖5三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的整體方案框圖
其中，單片機(jī)電路采用DSP電機(jī)控制專用芯片TMS320LF2407A，電流追蹤型回路的傳輸方式以模擬電壓的幅值代表采樣電流或者電壓的大小，其主要用來采樣a，b兩相電流及母線電壓檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流控制以及過壓、欠壓、過流保護(hù)。驅(qū)動(dòng)器的主回路采用交—直—交電壓型逆變器形式，由整流濾波電路、三相逆變器以及步進(jìn)電機(jī)等組成。
三相混合式多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
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總結(jié)
以上介紹的馬達(dá)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)技術(shù)，在提高馬達(dá)控制的效率和可靠性，降低功耗，減小尺寸方面的效果非常明顯，當(dāng)然還有很多其他新的設(shè)計(jì)技術(shù)和產(chǎn)品，例如，安森美半導(dǎo)體開發(fā)的雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制器AMIS-3062x系列的AMIS-30623可以滿足更高能效的要求。工程師可以根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求分析，選擇合適的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和控制方案。
