工业应用的运动控制策略

在汽车和工业系统创新以及生产技术进步的推动下，伺服驱动器、电机和控制它们的设备代表了持续的增长机会。预计到 2022 年，汽车和运输行业将占伺服电机和驱动器销售额的最大份额，直到 2022 年。对伺服驱动器、控制器和电机的需求仍然强劲，以帮助公司提高工业环境的效率。

导引和速度/转矩控制要求和技术因电机类型而异，从直流和通用电机的电压和电流的简单控制到交流电机的逆变器的使用，无刷电机中不同相位的反馈切换，以及复杂的数字电路步进电机驱动序列。即使对于感应和开关磁阻类型等传统模拟电机，如今传统模拟技术也伴随着越来越复杂的数字控制方法，从而能够以低成本实现解决方案。微电子设备的使用能够更好地控制速度、位置和扭矩，以及更高的效率。

图 1：电机控制 IC 的框图（图片：Maxim Integrated）

电机控制电路必须快速激活和停用电机线圈中的电流，同时将开关或传导损耗降至最低。MOSFET 和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 都可以满足一系列应用中的电机控制需求。这些电控设备在功能和属性上都相似，在其内部设计上也存在重叠的地方。在大多数应用中，它们用于 H 桥配置，以控制流向两个或多个电机线圈的电流路径。这允许完全控制电机的速度和方向（图 1）。

电机概述

每个包含电机或机械驱动要求的设计项目都必须评估是使用连续电流设计还是步进电机或伺服电机。在连续电机中，使用永磁体或绕组在定子中产生静磁场。转子由线圈组成，其中电流通过石墨刷到达，石墨刷压在旋转轴上的歧管上。电流流过连续的绕组以保持旋转。

交流电机可以是同步的或异步的。在异步电机（也称为感应电机）中，定子绕组的排列形成近似正弦分布。同步电机包括无刷直流和交流电机以及开关磁阻电机和由正弦电压源供电的电机。

在无刷电机中，转子具有永磁体，位于定子上的绕组由控制电子设备按合适的顺序供电。无刷直流电机由不同定子绕组上连续信号的切换序列驱动。无刷交流电机可制成带永磁体的同步交流电机；在这种情况下，它们由正弦信号驱动。没有刷子通过消除摩擦源来提高效率。开关中没有机械部件允许实现更高的旋转速度。

步进电机是由直流供电的无刷同步电机。转子在特定位置保持静止。步进电机可以非常精确地将转子轴旋转几度，而无需使用传感器来检测角位置。

关键参数

与大多数电子元件一样，一些主要和特定的性能参数决定了设备和应用程序之间的初始对应关系。电机控制设备的主要参数是电流和电压管理值，因为这些值决定了特定部件是否可以支持电机负载要求。

对于 MOSFET，下一个关键参数是导通电阻 (RDS(on)) 和栅极电容。较低的导通电阻会降低导通过程中的电阻损耗和电压降，从而降低耗散负载并提高效率。门容量决定了在所需的转换时间（开关速度）下完全激活和停用门所需的当前频率和速度。对于 IGBT，下一个关键参数是压降 (Vdrop)，它是通过 PN 结的二极管和内部 MOSFET 的贡献之和。温度和电流水平会影响 RDS(on) 和 Vdrop 参数。

一般来说，MOSFET 提供更高的开关速度（以兆赫为单位）和更高的峰值电流。IGBT 可提供约 10 A 的电流值，并且坚固耐用，但开关速度较慢。对于电机控制应用，基本准则是 MOSFET 是更低电压和电流以及更高开关频率的更好选择，而 IGBT 是更高电压/电流和更低频率的更好选择。

　　审核编辑：汤梓红