电机控制精度详解

电机控制和驱动器在许多应用中都是基础，因为它们可以实现高精度，从而转化为更低的成本和更高的效率。电机控制电路执行的重要功能是确保转子在不同的运行和负载条件下获得与绕组有关的精确位置，从而以足够的准确度确定其位置。

例如，如果电机所附负载发生变化，驱动器必须实时修改电机控制参数。这样，扭矩和转速就可以满足特定应用的要求。

该解决方案的主要优点是完全采用固态技术制造，减少或可能消除对机械运动调节系统(如齿轮、皮带轮和皮带)的依赖，其成本不可忽略。在需要高精度定位电机的应用中(例如机械臂、3D 打印机、CNC 机器等)，通常与精密控制算法(例如微步进)结合使用的步进电机得到了成功应用。

这种技术可以很好地定位螺旋桨，通过应用分数步增量获得，下降到(在某些特定情况下)1/32 步增量。这种技术不仅可以实现高精度，而且还提高了解决方案的效率并减少了电机在低速运行时的典型共振现象。在电子工业中，取放机被广泛使用。它们是真正的机器人，其任务是在 PCB 上定位组装所需的 SMD 组件。此类应用需要高精度(数量级为微米)但也需要快速 *** 作，以降低与 SMT 组装相关的成本。

高精度驱动系统

工业应用中使用的机器人系统，例如上面提到的取放机器，主要使用由交流电压 (AC) 供电的三相电机。图 1 显示了适用于所述车辆的电子控制电路的框图。输入电压使用二极管和稳压电容器转换为直接能量 (DC)。专用微控制器生成 PWM 信号，当应用于三相逆变器时，会产生三个高频波形输出，并用于相应的电机绕组。请注意图中存在从电机到微控制器的反馈信号。这些信号的任务是实时测量每相吸收的电流，使电路能够迅速响应负载条件的快速变化。送到三相逆变器的PWM信号为，因此，以这样的方式进行调节，以便为电机绕组提供正确的功率水平。作为微控制器的替代方案，DSP 或 FPGA 解决方案更适合实现复杂的数字滤波算法。电子设计师必须面对的最大挑战之一是反馈电流和电压监测电路的设计。最有效的解决方案是监控所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能靠近信号源的数字形式。信号调制技术可减少对其他高频指标的干扰，特别注意 PCB 布局和与时钟信号相关的走线位置。作为微控制器的替代方案，DSP 或 FPGA 解决方案更适合实现复杂的数字滤波算法。电子设计师必须面对的最大挑战之一是反馈电流和电压监测电路的设计。最有效的解决方案是监控所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能靠近信号源的数字形式。信号调制技术可减少对其他高频指标的干扰，特别注意 PCB 布局和与时钟信号相关的走线位置。作为微控制器的替代方案，DSP 或 FPGA 解决方案更适合实现复杂的数字滤波算法。电子设计师必须面对的最大挑战之一是反馈电流和电压监测电路的设计。最有效的解决方案是监控所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能靠近信号源的数字形式。信号调制技术可减少对其他高频指标的干扰，特别注意 PCB 布局和与时钟信号相关的走线位置。电子设计师必须面对的最大挑战之一是反馈电流和电压监测电路的设计。最有效的解决方案是监控所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能靠近信号源的数字形式。信号调制技术可减少对其他高频指标的干扰，特别注意 PCB 布局和与时钟信号相关的走线位置。电子设计师必须面对的最大挑战之一是反馈电流和电压监测电路的设计。最有效的解决方案是监控所有三个电机绕组，将获取的模拟值转换为尽可能靠近信号源的数字形式。信号调制技术可减少对其他高频指标的干扰，特别注意 PCB 布局和与时钟信号相关的走线位置。

图 1：交流供电的三相感应电机控制框图

实现类似于图 1 的电路所需的电子元件包括：隔离式和非隔离式开关栅极驱动器、反馈信号转换器和用于实时控制的高速处理单元、可编程时钟发生器、DC/DC 转换器, 和三相逆变器。

商业级解决方案

德州仪器 (TI) 提供先进的解决方案，用于设计精确的电机控制和可靠的驱动器电子设备，包括高频氮化镓 (GaN) 栅极驱动器和模块。TIDA-00915 就是一个例子，它是一种用于集成驱动器的三相、1.25kW、200VAC 小型 GaN 逆变器参考设计。如图 2 所示，该参考设计是一款三相逆变器，在 50°C 下的连续额定功率为 1.25 kW，在 85°C 下的连续额定功率为 550 瓦，用于驱动 200V 交流伺服电机。它采用 600VLMG3411R150GaN 功率模块，集成 FET 和栅极驱动器，安装在 1.95mm 绝缘金属基板 (IMS) 板上，以实现高效散热。超小型 (80 × 46 × 37 mm) 允许将驱动器与电机轻松集成，用于机器人和 CNC 机床的 6 轴电机应用。

图 2：TI TIDA-00915 参考板

Allegro Microsystems 为电机控制应用提供多种电流传感器 IC，例如 ACS720，一种高精度、基于霍尔效应的电流隔离电流传感器。该 IC 具有多个可编程故障级别，适用于工业和消费类设备，重点是电机控制和功率逆变器级应用。ACS720 采用小型表面贴装 SOIC16 封装，集成了差分电流感应，可抑制外部磁场，简化了三相电机应用中的电路板布局。Silicon Labs 有多种解决方案也非常适合电机控制应用。例如，Si 828x 隔离式栅极驱动器适用于驱动各种逆变器和电机控制应用中使用的 IGBT 和碳化硅 (SiC) 器件。Si828x 器件是隔离的，具有集成系统安全和反馈功能的大电流栅极驱动器。这些驱动器支持高达 5.0 kV RMS 和符合 UL1577 的耐受电压，与其他隔离式栅极驱动器技术相比，可实现更高的性能、减少随温度和老化的变化、更紧密的部件间匹配以及卓越的共模抑制。

　　审核编辑：汤梓红