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有刷直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

作者: 時(shí)間:2016-12-13 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
雖然無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,但是直流電機(jī)憑借成本低這一優(yōu)勢(shì)仍然被繼續(xù)沿用,本期大講臺(tái)將重點(diǎn)介紹有刷直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng),以及低壓直流電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。


刷式直流電機(jī)使用刷子進(jìn)行換向。電樞或轉(zhuǎn)子具有繞線,可端接至換向器。刷子通過(guò)形成或斷開(kāi)接觸為電樞提供電源。定子可能具有兩個(gè)或更多永久磁性;相反的定子磁性極性和激磁繞線異極相吸,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子位置對(duì)齊時(shí),刷子將跨越換向器并驅(qū)動(dòng)下一個(gè)繞線。刷式直流電機(jī)需要維護(hù)并具有線性扭矩/電流曲線。這些電機(jī)易于控制,其速度和扭矩與電流和電壓成正比。




圖1:刷式直流電機(jī)系統(tǒng)的方框圖(SBD),它具有微處理器、閘極驅(qū)動(dòng)器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。
刷式直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

微處理器

具有4個(gè)脈寬調(diào)制器(PWM)信號(hào)的任何MCU系列均可以用于驅(qū)動(dòng)連接到刷式直流電機(jī)的HDC/DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)控制算法的復(fù)雜性,反饋控制可能使用霍爾傳感器或編碼器。

鑒于其在工作模式和休眠模式中的超低功耗操作功能,TIMSP430可以成為控制低端、電池供電的刷式直流電機(jī)系統(tǒng)的理想選擇。C2000StellarisMCU具有QEI輸入,可接受編碼器輸入。HerculesMCU可通過(guò)靈活的HET協(xié)處理器接收編碼器輸入。如果需要高性能和實(shí)時(shí)操作,C2000MCU系列就是最佳選擇。C2000StellarisMCU可滿足中端系統(tǒng)要求。HerculesMCU是系統(tǒng)需要基于IEC61508等安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證時(shí)的首選并可支持各種性能需求。

隔離

TI數(shù)字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器,這些緩沖器由TI的二氧化硅(SiO2)隔離勢(shì)壘進(jìn)行隔離,可提供4kV隔離。當(dāng)與隔離電源配合使用時(shí),這些器件可阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進(jìn)入本地接地并干擾或損害敏感電路。

接口/連接

傳統(tǒng)模擬RS-232/RS-485接口一直是電機(jī)控制應(yīng)用的常見(jiàn)選擇。展望未來(lái),設(shè)計(jì)人員將在其產(chǎn)品中集成主流接口,如以太網(wǎng)、USBCAN。TI致力于同時(shí)為傳統(tǒng)和新興工業(yè)接口提供解決方案。例如,TI最近推出了全世界首款隔離式CAN收發(fā)器ISO1050。

電源管理

德州儀器(TI)提供從標(biāo)準(zhǔn)IC到高性能插件、變壓器、數(shù)字電源MOSFET和集成電源模塊的電源管理IC解決方案。從AC/DCDC/DC電源、線性穩(wěn)壓器和非隔離式開(kāi)關(guān)DC/DC穩(wěn)壓器到PMIC和電源及顯示解決方案,德州儀器(TI)的電源管理IC解決方案都能幫助您完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。
小型電動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)包括螺線管驅(qū)動(dòng)、單向DC、雙向DC或無(wú)刷DC系統(tǒng),通常按照幀大小和功率(以瓦計(jì))來(lái)劃分大小。




圖2:低電壓電機(jī)控制方框圖
低電壓電機(jī)控制設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

內(nèi)核子系統(tǒng)包括:

控制器

TI可提供用于控制處理器的各種解決方案;從超低功耗MSP430微處理器到ARM基于Hercules的Cortex-R4F安全MCUC2000數(shù)字信號(hào)控制器(DSC).合適的控制器可以優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率、提高可靠性和降低系統(tǒng)總成本。C2000控制器的32DSP級(jí)性能和電機(jī)控制優(yōu)化的片上外設(shè)使用戶可以輕松實(shí)施高級(jí)算法,例如三相電機(jī)的無(wú)傳感器矢量控制。C2000系列提供軟件兼容的控制器,范圍從低成本F28016到業(yè)界首款TMS320F28335浮點(diǎn)DSC。

電機(jī)/螺線管驅(qū)動(dòng)器電路

PWM驅(qū)動(dòng)器(例如1.2ADRV104)可以與用于驅(qū)動(dòng)螺線管或閥門(由+8V+32V單電源供電)的電阻性負(fù)載或電感負(fù)載兼容。低壓DC電機(jī)的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇具有0V16V、50mAPWM閘極驅(qū)動(dòng)輸出的TPIC2101前置FET驅(qū)動(dòng)器。TPIC2101驅(qū)動(dòng)外部、低側(cè)NMOS功率晶體管的閘極,從而為電機(jī)或其它負(fù)載提供PWM控制的電源。它包含軟啟動(dòng)、過(guò)壓/欠壓保護(hù)和100%占空比功能??梢允褂?wbr />TPIC2101控制永久磁性DC電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度或控制流經(jīng)螺線管、加熱器或白熾燈泡的電源。要獲得更高的驅(qū)動(dòng)電流,可能需要一個(gè)具有05A電流限制的高電壓、大電流運(yùn)算放大器(OPA548)(它通過(guò)電阻/分壓器實(shí)現(xiàn)外部控制)或電流輸出DAC(例如DAC7811DAC8811)。另外,MOSFET驅(qū)動(dòng)器(如UCC37321UCC37323)被認(rèn)為可以直接驅(qū)動(dòng)更小的電機(jī)或驅(qū)動(dòng)電源設(shè)備,例如MOSFETIGBT。

隔離

TI數(shù)字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器,它由可提供4kV隔離的TI二氧化硅(SiO2)隔離勢(shì)壘進(jìn)行隔離。當(dāng)與隔離電源配合使用時(shí),這些器件可以阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進(jìn)入本地接地和干擾或損害敏感的電路。

控制器接口

RS-232RS-422適用于許多系統(tǒng)。RS-485信令可以與Profibus、Interbus、ModbusBACnet等協(xié)議一起使用,這些協(xié)議都是針對(duì)最終用戶的特定要求定制的。有時(shí),控制器局域網(wǎng)(CAN)EtherNet/IP(工業(yè)協(xié)議)更注重網(wǎng)絡(luò)需求。M-LVDS可提供更低功耗以供選擇。

使用外部電路的運(yùn)動(dòng)反饋

隔離式Δ-Σ調(diào)制器(AMC1203/AMC1210)是并聯(lián)測(cè)量平面假信號(hào)的理想選擇,并且可以提高電流反饋分辨率。這些調(diào)制器易于使用,并且可以為編碼器提供過(guò)采樣和濾波。為了測(cè)量控制器輸入和系統(tǒng)反饋,INA159差動(dòng)放大器可以為使用5V3.3V電源的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供?10V(20Vpp)信號(hào)。ADC(如ADS7861/ADS7864ADS8361/ADS8364)可提供4通道或6通道同步電流采樣。INA19x(x=38)和INA20x(x=19)可以提供寬泛的共模電壓,并且能夠進(jìn)行低端和高端電流并聯(lián)監(jiān)視。


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