如何在實(shí)時電機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效、可靠且準(zhǔn)確的驅(qū)動

實(shí)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(shí)時控制的驅(qū)動階段（更新系統(tǒng)），以及為什么此階段對于可靠的系統(tǒng)輸出運(yùn)行很重要。

例如，在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，您可能會實(shí)時監(jiān)控和測量速度、位置、扭矩和電機(jī)運(yùn)行狀況，以便啟動、加速或調(diào)節(jié)動態(tài)速度，或讓電機(jī)系統(tǒng)減速。同樣，在半導(dǎo)體或電池測試設(shè)備中，您可以使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器以快速控制環(huán)路的方式發(fā)送準(zhǔn)確的模擬信號，從而調(diào)整基于氮化鎵 (GaN) 的服務(wù)器電源單元 (PSU) 在不同負(fù)載條件下的輸出功率，或者對在電源中斷期間驅(qū)動不間斷電源中的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的柵極驅(qū)動器進(jìn)行調(diào)整。在所有示例中，調(diào)制和調(diào)整實(shí)時控制系統(tǒng)的驅(qū)動（對于電機(jī)驅(qū)動、電池測試設(shè)備或電源單元等應(yīng)用）都非常重要。

在運(yùn)行期間，電機(jī)會經(jīng)歷不同的階段，其目的是為了實(shí)現(xiàn)可靠的電機(jī)驅(qū)動。具體來說，電機(jī)運(yùn)行可分為以下階段：預(yù)啟動、電機(jī)啟動、開環(huán)、閉環(huán)和電機(jī)停止。閉環(huán)階段為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的實(shí)時反饋，因?yàn)榇穗A段會對各種變量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，然后通過閉環(huán)響應(yīng)方式進(jìn)行驅(qū)動，如圖 1 所示。

圖 1：電機(jī)運(yùn)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(yīng)用的能效標(biāo)準(zhǔn)越來越多，包括能源之星、80 Plus、ErP Lot 9 標(biāo)準(zhǔn)等。因此，務(wù)必要維持實(shí)時控制系統(tǒng)的高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，以便在快速變化期間降低功耗和系統(tǒng)工作量。一個非常高效的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)、更低的擁有成本和更長的使用壽命。

例如，掃地機(jī)器人需要根據(jù)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(shí)時調(diào)整吸塵能力來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼤z測到地板材料或碎屑量的變化，或者是否有物體卡在機(jī)器人中。由無刷直流 (BLDC) 電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動的真空抽吸電機(jī)需要盡可能提高效率，因?yàn)樗墓膩碓春芏?，例如開關(guān)損耗、漏源導(dǎo)通電阻 R_DS(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(diào)制 (PWM) 輸出頻率、使用較低 R_DS(on) MOSFET 驅(qū)動電機(jī)或使用不同的 PWM 調(diào)制模式（如單端）等技術(shù)。

在購買白色家電時，消費(fèi)者更傾向于選擇噪音更低的系統(tǒng)。BLDC 電機(jī)驅(qū)動器通過正弦以及最近的場定向控制 (FOC) 等控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更好的聲學(xué)性能，這些技術(shù)可以將磁通保持在 90 度，從而實(shí)現(xiàn)理想的電機(jī)效率。借助 TI 的單芯片無代碼無傳感器 MCF8316A BLDC 電機(jī)驅(qū)動器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過連續(xù) PWM 調(diào)制、死區(qū)時間補(bǔ)償和可變換向模式等控制技術(shù)來盡可能降低可聞噪聲。

圖 2 展示了利用 MCF8316A 優(yōu)化聲學(xué)性能前后的可聞噪聲比較結(jié)果。

圖 2：采用 MCF8316A 前后的可聞噪聲比較

可靠性高

實(shí)時控制系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制可在不可預(yù)測的惡劣環(huán)境中保障可靠運(yùn)行，例如高溫和低溫環(huán)境，或者外部因素可能對系統(tǒng)產(chǎn)生電氣甚至物理影響的環(huán)境。以可能包含移動器件的系統(tǒng)為例，例如電機(jī)驅(qū)動器。檢測或預(yù)測轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)行期間持續(xù)檢查不同的電機(jī)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(shí)的例子，當(dāng)掃地機(jī)器人檢測到物體（例如毛巾卡在其路徑中）時，系統(tǒng)負(fù)載激增，這種情況會被系統(tǒng)判定為電機(jī)鎖定狀態(tài)，然后電機(jī)能夠向相反方向旋轉(zhuǎn)以松開物體并繼續(xù)正常運(yùn)行。

無代碼的電機(jī)驅(qū)動器（例如 MCF8316）還可以管理重要功能（如電機(jī)故障檢測），并實(shí)施保護(hù)機(jī)制，使整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加可靠。

圖 3 是典型 BLDC 實(shí)時控制電機(jī)系統(tǒng)的框圖，在這種系統(tǒng)中，電壓和電流檢測電阻不斷向控制器提供電機(jī)反饋（基于保護(hù)機(jī)制），然后控制器向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送不同的 PWM 信號以便相應(yīng)地進(jìn)行驅(qū)動。

圖 3：無傳感器 BLDC 實(shí)時控制電機(jī)系統(tǒng)

精度

實(shí)時控制系統(tǒng)的精度對于可靠運(yùn)行非常重要。典型的電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)依靠驅(qū)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(huán)反饋的實(shí)時控制系統(tǒng)中，電流檢測放大器可在廣泛的共模電壓和溫度范圍內(nèi)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(xù)氣道正壓通氣 (CPAP) 機(jī)器等應(yīng)用中，精確的實(shí)時控制系統(tǒng)會持續(xù)監(jiān)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(yīng)用，其色輪電機(jī)系統(tǒng)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(shè)備的屏幕上顯示高品質(zhì)的彩色圖像，如圖 4 所示。

圖 4：DLP 家庭影院投影儀

結(jié)語

實(shí)時控制系統(tǒng)的驅(qū)動階段取決于來自傳感階段的不同類型的反饋，不斷監(jiān)測系統(tǒng)條件的任何變化，然后將其發(fā)送到控制階段以解讀數(shù)據(jù)并發(fā)送下一個驅(qū)動命令。無論目的是通過死區(qū)時間補(bǔ)償更大限度地減少可聞噪聲、提供電機(jī)鎖定檢測功能，還是希望提供準(zhǔn)確的速度，BLDC 電機(jī)驅(qū)動器在許多工業(yè)和汽車應(yīng)用的驅(qū)動器中都發(fā)揮著重要作用。