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电机控制及驱动算法的一些知识

日期:2019-12-08 01:34
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摘要:

电机驱动的*大难点在于成本和算法,其算法和精度及可靠性又密切相关。此外,电机能耗占世界能耗的一半左右,电机效率的提高,符合节能减排的要求。德州仪器(TI)公司半导体事业部市场推广经理李志林(图1)强调,电机控制的核心在于它的控制算法:除了硬件之外,*重要的要**如何用更优异的算法去控制电机。

在我们的家庭里面,所有的家电除了电视机以外,几乎都包含了电机:从抽油烟机、微波炉、灶具,燃气热水器、洗衣机、冰箱、空调,再到硬盘、DVD机,全都和电机有关(图2)。另外,在汽车当中,所使用的电机数量达上百个之多。其中的很多产品(例如硬盘),对电机控制的精度和可靠性要求非常之高。

算法和可靠性

李志林指出,国内的家用电器厂商在电机的控制算法上处于弱势;而至于硬件方面,根据不同要求集成不同的功能和硬件,可以提高产品的可靠性。另外,现在的一些电机驱动器件集成了MCU,这也是电机驱动的一个发展方向。根据不同的应用需要,电机有很多的控制算法,包括:120度、150度或180度梯形波、FOC算法、无位置检测、PID调节算法等。对于电机驱动的可靠性,需要设计各种保护,比如:热保护、欠压保护和防止导通的保护等。然而,在以往的电机驱动器中,几乎难以找到过流保护(OCP)——这些器件对于这一保护而言,只能够靠热保护去响应。

他介绍,TI有一个专门针对电机做控制算法的实验室Kilby Lab。该实验室致力于将算法做得更完善,把可靠性提上去。在可靠性方面,若采用热保护的话,在温度达到某一温度(比如150度)时再直接关断,响应可能无法满足实际需要:比如人为的短路,在发热温度检测还来不及保护的时候就会烧毁。过流保护响应时间太长的话,器件也容易被烧毁。另外,电机在起动的瞬间,冲击电流特别大。若在此时执行电流检测的话,器件会实施过流保护。因此,设置一个关断时间,把这个时间忽略掉,超过这个时间点以后,再做电流检测,就可以绕开起动时的过流保护。

TI DRV8电机驱动系列的一个主要特点,就在于它的可靠性。另外,在DRV8系列中集成了MCU,这样,大家在使用的时候,就不需要在外部再附加单片机;或者,只需要用主处理器和驱动器通信,“告诉”它走几步或者发一个命令即可。这样便提高了电机驱动的易用性,而无需知道其后台是如何操作的。对于TI而言,电机驱动的发展方向也就是如此——尽可能做到器件方便操作和易于使用。

细分和混合衰减模式

步进电机需要进行细分控制。对于步进电机驱动器而言,可以将细分(1/8细分直到1/256细分)的索引表集成进去。另外,可以通过设置控制字(例如1/8细分驱动),在无细分、1/2细分、1/4细分和1/8细分之间进行选择。

步进电机每加一个脉冲,便会走一步。当没有脉冲或者是脉冲关断的时候,电流就会降下来,电机就会停步。但是由于电感很大,电流不能突变,这时便可以采用算法来控制电流的衰减速度。李志林谈道,衰减模式可以分为慢衰减模式和快衰减模式。将慢衰减和快衰减模式结合起来(混合衰减模式),便可以根据实际要求,对停步造成的系统噪声和电机运转的平滑度进行调整。

步进电机在驱动的时候,电流波形*好是正弦波,因为这时的谐波分量较低、EMI较小且控制精度也较高。但在细分的时候,会遇到一个问题:过零点的失真会导致误冲。这时,在驱动器中,可以采用动态的TBLANK(间隔时间),来减小波形过零点的失真;另外,可以采用可调的混合衰减模式(比如先快后慢),来减小di/dt过零时的电感放电失真。

漏源导通电阻RDS(ON)

某些电机驱动器当中集成了MOSFET,这样,其漏源导通电阻(RDS(ON))便决定了驱动器的发热情况。对于一个5A的电机,所有的电流都将流过它的线圈。若芯片当中集成了两个H桥,在驱动的时候,就相当于有两个半桥在导通(两个半桥相当于4个MOSFET)。这样,芯片的功耗就等于电流的平方乘以4RDS(ON)。因此,RDS(ON)越低,芯片的发热量便越小。例如,TI的DVR8818就是一款RDS(ON)极低的驱动器件(上管与下管RDS(ON)之和为0.37Ω)。

步进电机驱动器接口模式

步进电机驱动器大致有三种接口模式:PWM模式、Phase/Enable模式和Step/Direction模式。PWM模式即采用MCU程序进行控制;Phase/Enable模式即输出由相位(方向)和每个H桥的使能信号控制;Step/Direction模式则是根据脉冲和方向进行控制。

李志林解释道,某些传统的驱动器的电流规格类似,但在实际应用时,接口模式却不一样。接口模式不一样的话,在应用过程中就需要修改软件,因为这两种模式要求CPU发出的PWM脉冲的占空比和个数都不一样。这样,若将两种接口模式做成兼容,便可以采用一个管脚,选择是采用Step/Direction模式还是采用Phase Enable模式,而不用再为其更改软件(例如,DRV8834就是一种Step/Direction模式和Phase Enable模式可选的产品)。

无传感器BLDC

有刷电机与直流无刷电机(BLDC)的区别在于是否具有碳刷。有刷电机通过在转向器上刻上槽,用不同的炭刷去接触而实现换向。而BLDC则没有炭刷,因为炭刷的存在会影响其机械寿命。另外,有刷电机存在噪音——由于炭刷和不同的绕组之间存在绝缘点,有刷电机在切换的时候会打火。因此,将有刷电机替换为BLDC将会是一个趋势,同时,其效率也非常高。

李志林介绍,有些BLDC风扇采用霍尔器件来替换传统的换向器。由于霍尔器件需要电源供电,引线的数量将会较多。同时,霍尔器件本身存在使用寿命。因此,在高温和高可靠性的场合不宜采用霍尔器件。另外,霍尔器件体积的限制也决定了不可能把它放在其中。这种情况下,若采用无传感器BLDC(即无换向检测的BLDC),应如何实现换向,就要看硬件的高招了。有很多的算法专门做这种BLDC的驱动,比如采用反电动势检测的方法来实现。

BLDC风扇的要求在于:**,起动没有问题。虽然没有相位检测,但在任何情况下都能起动。第二,不能出现反转的可能。这对可靠性的要求非常地高。TI的DRV10863便是一个双向的BLDC驱动器。通过集成1安培的高/低端MOSFET,这款产品使用起来非常方便。另外,它集成的过流保护,可以方便调节过流保护点。DRV10863采用无传感器BACK EMF控制方式去检测相位,其电流波形接近于正弦波,并采用150度梯形波进行调整。