如何在實時電機控制系統中實現高效、可靠且準確的驅動
發布時間：2022-11-3 18:18
發布者：eechina
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作者：德州儀器 實時控制系列的前一部分深入介紹了處理的功能塊。在這一部分中，我將討論實時控制的驅動階段（更新系統），以及為什么此階段對于可靠的系統輸出運行很重要。 例如，在電機驅動應用中，您可能會實時監控和測量速度、位置、扭矩和電機運行狀況，以便啟動、加速或調節動態速度，或讓電機系統減速。同樣，在半導體或電池測試設備中，您可以使用數模轉換器以快速控制環路的方式發送準確的模擬信號，從而調整基于氮化鎵 (GaN) 的服務器電源單元 (PSU) 在不同負載條件下的輸出功率，或者對在電源中斷期間驅動不間斷電源中的金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 的柵極驅動器進行調整。在所有示例中，調制和調整實時控制系統的驅動（對于電機驅動、電池測試設備或電源單元等應用）都非常重要。 在運行期間，電機會經歷不同的階段，其目的是為了實現可靠的電機驅動。具體來說，電機運行可分為以下階段：預啟動、電機啟動、開環、閉環和電機停止。閉環階段為系統提供準確的實時反饋，因為此階段會對各種變量進行持續監測，然后通過閉環響應方式進行驅動，如圖 1 所示。 
圖 1：電機運行階段 高效率 隨著電氣化程度的不斷提高，支持多種電器和應用的能效標準越來越多，包括能源之星、80 Plus、ErP Lot 9 標準等。因此，務必要維持實時控制系統的高效率運轉，以便在快速變化期間降低功耗和系統工作量。一個非常高效的系統可以實現更快的響應、更低的擁有成本和更長的使用壽命。 例如，掃地機器人需要根據電池電量更大限度地提高每次清掃的地板范圍。它可以通過實時調整吸塵能力來實現這一點，因為它會檢測到地板材料或碎屑量的變化，或者是否有物體卡在機器人中。由無刷直流 (BLDC) 電機驅動器驅動的真空抽吸電機需要盡可能提高效率，因為它的功耗來源很多，例如開關損耗、漏源導通電阻 RDS(on) 和 MOSFET 的壓擺率。要降低這些功耗，可以采用提高壓擺率、降低脈寬調制 (PWM) 輸出頻率、使用較低 RDS(on) MOSFET 驅動電機或使用不同的 PWM 調制模式（如單端）等技術。 在購買白色家電時，消費者更傾向于選擇噪音更低的系統。BLDC 電機驅動器通過正弦以及最近的場定向控制 (FOC) 等控制技術實現了更好的聲學性能，這些技術可以將磁通保持在 90 度，從而實現理想的電機效率。借助 TI 的單芯片無代碼無傳感器 MCF8316A BLDC 電機驅動器，系統設計人員可以通過連續 PWM 調制、死區時間補償和可變換向模式等控制技術來盡可能降低可聞噪聲。 圖 2 展示了利用 MCF8316A 優化聲學性能前后的可聞噪聲比較結果。
圖 2：采用 MCF8316A 前后的可聞噪聲比較 可靠性高 實時控制系統保護機制可在不可預測的惡劣環境中保障可靠運行，例如高溫和低溫環境，或者外部因素可能對系統產生電氣甚至物理影響的環境。以可能包含移動器件的系統為例，例如電機驅動器。檢測或預測轉子鎖定的能力有助于更大限度地減少功率損耗、器件故障或損壞。TI 的 MCF8316A 可在電機運行期間持續檢查不同的電機鎖定條件，并在檢測到鎖定事件時立即采取行動。此處列舉一個真實的例子，當掃地機器人檢測到物體（例如毛巾卡在其路徑中）時，系統負載激增，這種情況會被系統判定為電機鎖定狀態，然后電機能夠向相反方向旋轉以松開物體并繼續正常運行。 無代碼的電機驅動器（例如 MCF8316）還可以管理重要功能（如電機故障檢測），并實施保護機制，使整個系統設計更加可靠。 圖 3 是典型 BLDC 實時控制電機系統的框圖，在這種系統中，電壓和電流檢測電阻不斷向控制器提供電機反饋（基于保護機制），然后控制器向電機驅動器發送不同的 PWM 信號以便相應地進行驅動。
圖 3：無傳感器 BLDC 實時控制電機系統 精度 實時控制系統的精度對于可靠運行非常重要。典型的電機閉環系統依靠驅動器的處理速度來獲得極高的速度精度和極短的延遲。此外，在您需要提供閉環反饋的實時控制系統中，電流檢測放大器可在廣泛的共模電壓和溫度范圍內提供高水平的電流檢測精度。 在用于睡眠呼吸暫�；颊叩某掷m氣道正壓通氣 (CPAP) 機器等應用中，精確的實時控制系統會持續監控空氣阻塞情況，并提供必要的空氣來打開人的氣道。另一個示例是 DLP® 投影儀應用，其色輪電機系統需要具有高速精度 (1%)，以便投影儀在家庭影院投影儀等終端設備的屏幕上顯示高品質的彩色圖像，如圖 4 所示。
圖 4：DLP 家庭影院投影儀 結語 實時控制系統的驅動階段取決于來自傳感階段的不同類型的反饋，不斷監測系統條件的任何變化，然后將其發送到控制階段以解讀數據并發送下一個驅動命令。無論目的是通過死區時間補償更大限度地減少可聞噪聲、提供電機鎖定檢測功能，還是希望提供準確的速度，BLDC 電機驅動器在許多工業和汽車應用的驅動器中都發揮著重要作用。 其他資源 · 請查看 TI 的電流檢測放大器產品系列。 · 請查看 TI 的氮化鎵 (GaN) IC 產品系列。 · 請查看 TI 的無刷直流 (BLDC) 電機驅動器產品系列。 |
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