使電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)簡單

作者：安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品營銷經(jīng)理Steve Ikei

隨著越來越多的行業(yè)接受自動(dòng)化可提供的優(yōu)勢，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制的市場繼續(xù)擴(kuò)大。設(shè)計(jì)人員面臨不斷縮短的開發(fā)周期，同時(shí)也面臨著創(chuàng)新的挑戰(zhàn)，這使得選擇合適的電機(jī)控制系統(tǒng)至關(guān)重要。

據(jù)Grand View Research 1，到2025年，全球電機(jī)市場將達(dá)到1,550億美元。有幾個(gè)領(lǐng)域正在推動(dòng)這一擴(kuò)張，包括制造業(yè)內(nèi)的自動(dòng)化。電機(jī)、執(zhí)行器及其控制器是這些系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。所有大車廠都專注于一個(gè)不斷擴(kuò)大的電機(jī)市場領(lǐng)域，推進(jìn)電動(dòng)汽車(EV)的發(fā)展。最新的“2018年全球電動(dòng)汽車展望”(Global EV Outlook 2018 survey2)預(yù)估推斷：2017年，全球電動(dòng)汽車銷量超過100萬輛(110萬輛)，中國占全球40%的份額。IEA還預(yù)測，到2030年，電動(dòng)車銷量將達(dá)到2.2億輛。

電機(jī)控制系統(tǒng)是確保以最大能效運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵。開發(fā)系統(tǒng)以滿足一些基本的要求對于電機(jī)控制工程師越來越重要和迫切。這包括盡量減少能耗和損耗，并降低對環(huán)境的影響，同時(shí)仍然提供高度的靈活性和強(qiáng)固性，以滿足高要求的應(yīng)用。

開發(fā)挑戰(zhàn)

所有的電機(jī)都是基于相同的原理，當(dāng)電荷施加在線圈(定子)上時(shí)，它就成為了一個(gè)電磁鐵。定子位于具有相反極性的磁鐵場內(nèi)，形成轉(zhuǎn)子。當(dāng)對電磁鐵的電荷被迅速切換時(shí)，使用一種叫做換向器的裝置，電機(jī)的軸可以旋轉(zhuǎn)。這是電機(jī)輸出的基本機(jī)械能，隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生并得以完善。

如今有幾種類型的電機(jī)，通常稱為直流(DC)或交流(AC)電機(jī)。交流電機(jī)要么是同步的，要么是異步的(通常稱為感應(yīng)電機(jī))，其基本區(qū)別是同步交流電機(jī)需要直流電源來為轉(zhuǎn)子繞組供電，而異步電機(jī)則不需要這種額外的電源。對于自動(dòng)化應(yīng)用，可變磁阻交流電機(jī)是常見的，因?yàn)檫@可以作為基礎(chǔ)的步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)(通常是無刷直流電機(jī)BLDC)變得非常流行，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└吣苄?。無刷直流電機(jī)中的永磁體放置在轉(zhuǎn)子上，而電磁鐵則駐留在定子上。步進(jìn)電機(jī)是直流電機(jī)的另一種設(shè)計(jì)，因?yàn)樗幸粋€(gè)由幾個(gè)磁鐵組成的轉(zhuǎn)子，類似于齒輪上的齒。這使得電機(jī)的角度可以被精細(xì)地控制，以實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械輸出。

步進(jìn)(單極或雙極)電機(jī)，有刷直流電機(jī)和伺服電機(jī)是最常見的自動(dòng)化應(yīng)用，可見于汽車設(shè)計(jì)和機(jī)器人中。異步(感應(yīng))和同步(永磁)電機(jī)也是常見的，是強(qiáng)固的和典型的低成本。電機(jī)類型用于任何給定應(yīng)用現(xiàn)已發(fā)展到這樣一種程度，有許多可供設(shè)計(jì)人員選擇的配置選項(xiàng)。隨著控制單元與電機(jī)類型和應(yīng)用高度匹配，數(shù)字控制正日益流行。如壓縮機(jī)或泵等需要以每秒特定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)速度，可以使用數(shù)字控制系統(tǒng)更精確地控制。數(shù)字控制系統(tǒng)對變速電機(jī)也是有效的，其速度與頻率成正比。需要理解的重要因素是，隨著電機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，它們的控制系統(tǒng)也必須發(fā)展。開發(fā)人員需要一個(gè)高效、靈活的電機(jī)控制設(shè)計(jì)環(huán)境，該環(huán)境提供了一套工具，以促進(jìn)迭代設(shè)計(jì)和快速原型開發(fā)。

新方案

隨著電機(jī)應(yīng)用的增加，采用直流電機(jī)的開發(fā)人員將受益于可作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的靈活的控制機(jī)制。通常在沒有實(shí)際電機(jī)的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)創(chuàng)建高能效電機(jī)設(shè)計(jì)的工程師需要一個(gè)他們可以信賴的靈活的開發(fā)環(huán)境。安森美半導(dǎo)體的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案套件(LV8548MCSLDGEVK)為電機(jī)設(shè)計(jì)人員提供了一種新的、直觀的方案以構(gòu)建控制系統(tǒng)，包括全橋雙刷直流和單雙極步進(jìn)電機(jī)的基本正向、反向和制動(dòng)模式。目前有三個(gè)版本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，包括步進(jìn)和有刷直流電機(jī)；另外兩個(gè)版本計(jì)劃在2018年年底前發(fā)布，涵蓋BLDC電機(jī)控制。每個(gè)模塊只需插入基板，為開發(fā)人員提供了一個(gè)靈活的電機(jī)控制設(shè)計(jì)環(huán)境。

圖1：安森美半導(dǎo)體的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊方案套件

插件電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供預(yù)先設(shè)計(jì)的硬件作為模塊，基于開放源碼架構(gòu)，可隨時(shí)進(jìn)行定制。主機(jī)PC與Arduino MICRO* 1之間的USB聯(lián)接使DC電機(jī)能使用串行通信控制。開發(fā)環(huán)境包括運(yùn)行Arduino IDE 1.8.4的Windows PC、基板和AC適配器，輸出電壓4V至16V，輸出電流約2A。該軟件包括一個(gè)應(yīng)用編程接口(API)庫和對設(shè)計(jì)人員最重要的強(qiáng)大的圖形用戶接口(GUI)，能自動(dòng)生成Arduino代碼，可導(dǎo)出為Arduino Sketch (.ino)文件。此代碼也可以與Arduino IDE一起使用。

圖2：自動(dòng)生成草圖代碼

GUI支持每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC和各種電機(jī)類型，如無刷直流、步進(jìn)和有刷直流。該驅(qū)動(dòng)生成器的一個(gè)關(guān)鍵屬性是具有高度的直觀性。

圖3：圖形用戶接口(GUI)窗口

設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建控制系統(tǒng)時(shí)可以在屏幕上獲得提示和幫助，而全面的API庫提供詳細(xì)的功能，可集成到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中進(jìn)行測試。

圖4：GUI工具提示顯示

由于開發(fā)套件可支持基于不同類型電機(jī)的設(shè)計(jì)，用戶可以看到安森美半導(dǎo)體的電機(jī)方案GUI為與所用電機(jī)類型相匹配而改變。GUI支持簡單的參數(shù)設(shè)置和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的配置，而不需要經(jīng)常參考說明書。實(shí)際應(yīng)用是，開發(fā)人員可以在沒有深入了解所用電機(jī)的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。這加速了電機(jī)控制的設(shè)計(jì)進(jìn)程，得益于一個(gè)快速高效的開發(fā)環(huán)境。例如，僅通過設(shè)置目標(biāo)速度，就可以使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)API函數(shù)庫“setTargetDrive()”來控制LV8548有刷直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器。

對于設(shè)計(jì)人員，使用LV8548MC通過Arduino微型計(jì)算機(jī)可達(dá)到的控制水平是非常重要的，提供先進(jìn)的調(diào)試功能，無需任何額外的軟件工具。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)殚_發(fā)工程師可以在很短的時(shí)間內(nèi)使用現(xiàn)成的器件來構(gòu)建其控制器的工作原型。自動(dòng)化的潛力幾乎是無限的。隨著開發(fā)時(shí)間的不斷縮短，這樣的套件將更加重要，使設(shè)計(jì)工程師能夠快速有效地創(chuàng)新。