電機(jī)控制設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

軟件和硬件都是所有電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分，例如 IGBT、WBG 半導(dǎo)體和 MCU。工業(yè)4.0的發(fā)展強(qiáng)烈依賴(lài)于電機(jī)控制，但能源消耗是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)樗诳焖僭鲩L(zhǎng)，并且需求隨著設(shè)計(jì)的復(fù)雜性而增長(zhǎng)，因?yàn)樵S多電子技術(shù)都有嚴(yán)格的控制要求。寬帶隙 (WBG) 材料就是這種情況的一個(gè)例子。

軟件和硬件都是所有電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分，例如 IGBT、WBG 半導(dǎo)體和 MCU。工業(yè)4.0的發(fā)展強(qiáng)烈依賴(lài)于電機(jī)控制，但能源消耗是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)樗诳焖僭鲩L(zhǎng)，并且需求隨著設(shè)計(jì)的復(fù)雜性而增長(zhǎng)，因?yàn)樵S多電子技術(shù)都有嚴(yán)格的控制要求。寬帶隙 (WBG) 材料就是這種情況的一個(gè)例子。
從功能的角度來(lái)看，電機(jī)控制由幾個(gè)層次組成。例如，運(yùn)動(dòng)控制需要執(zhí)行非常復(fù)雜且計(jì)算密集型的控制算法。電機(jī)控制涵蓋了廣泛的應(yīng)用，從風(fēng)扇和泵的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的工業(yè)控制問(wèn)題，包括機(jī)器人和伺服機(jī)構(gòu)。在這里，我們來(lái)看看電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。
電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器直流電機(jī)是常見(jiàn)的，因?yàn)樗鼈兏阋?，并且由定子（固定部分）（即永磁體）和運(yùn)動(dòng)部分（轉(zhuǎn)子）組成，運(yùn)動(dòng)部分容納連接到提供電流的換向器的繞組。電機(jī)的速度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)直流電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為此，根據(jù)應(yīng)用的性質(zhì)，使用全橋、半橋或降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。
交流電機(jī)基本上由變壓器組成，變壓器的初級(jí)部分連接到交流電壓，次級(jí)部分傳導(dǎo)感應(yīng)次級(jí)電流。基于微處理器的電子設(shè)備、逆變器和信號(hào)調(diào)節(jié)用于控制該電機(jī)的速度。
控制器是一種電子設(shè)備，在控制系統(tǒng)中充當(dāng)“大腦”。使用的控制器數(shù)量根據(jù)需要控制的單個(gè)進(jìn)程的數(shù)量而變化。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，可能有很多控制器。每個(gè)控制器都可以向電機(jī)發(fā)送命令，同時(shí)接收來(lái)自執(zhí)行器本身的指令。

工業(yè)應(yīng)用中使用的機(jī)器人系統(tǒng)主要使用由交流電壓（AC）供電的三相電機(jī)。作為示例， 圖 1 顯示了電子控制電路的框圖，其中專(zhuān)用微控制器 (MCU) 生成 PWM 信號(hào)。作為 MCU 的替代方案，DSP 或 FPGA 解決方案更適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波算法。

交流供電三相感應(yīng)電機(jī)控制框圖圖 1：交流供電三相感應(yīng)電機(jī)控制框圖（德州儀器）直流電機(jī)的控制器示例是 Trinamic 的 TMCM-1637  5-A RMS 和 TMCM-1638  7-A RMS 插槽型模塊，帶有兩個(gè)磁場(chǎng)定向控制器/驅(qū)動(dòng)器，添加了霍爾和 ABN 編碼器功能，用于磁場(chǎng)定向控制（或矢量控制）。這些模塊支持單相直流電機(jī)、兩相雙極步進(jìn)電機(jī)和三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)（圖2）。

TMCM-163x 解決方案圖 2：TMCM-163x 解決方案（Trinamic）IGBT絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 體現(xiàn)了電力控制電子領(lǐng)域的真正創(chuàng)新。作為開(kāi)關(guān)解決方案，創(chuàng)新來(lái)自于高開(kāi)關(guān)頻率。IGBT 代表了電力控制設(shè)備的基本功能，非常適合解決復(fù)雜的電機(jī)控制問(wèn)題。
的解決方案在特別極端的使用條件下，例如在汽車(chē)領(lǐng)域?qū)嵤┠孀兤鱽?lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，在開(kāi)關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系。 STMicroElectronics 的1,200V IGBT S 系列就是一個(gè)例子 。這些 IGBT 針對(duì)低頻（高達(dá) 8 kHz）使用進(jìn)行了優(yōu)化，并具有低 V ce(sat)的特點(diǎn)。1,200V IGBT S 系列基于第三代溝槽柵極場(chǎng)截止技術(shù)。
氮化鎵和碳化硅然而，寬帶隙材料、氮化鎵和碳化硅正在作為硅基器件的替代品，在電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域取得進(jìn)展。在電力電子領(lǐng)域，WBG材料的主要優(yōu)點(diǎn)包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開(kāi)關(guān)頻率、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度（遠(yuǎn)超過(guò)硅可實(shí)現(xiàn)的150°C上限）、在困難的工作條件下更高的可靠性和高擊穿電壓。
例如，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的電子遷移率較高，可轉(zhuǎn)化為更高的開(kāi)關(guān)速度，因?yàn)橥ǔ７e聚在接頭中的電荷可以更快地分散。GaN可實(shí)現(xiàn)更快的上升時(shí)間、更低的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 值以及更低的柵極和輸出電容，這些都有助于其實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗以及在高達(dá) 10 倍開(kāi)關(guān)頻率下工作的能力高于硅。
減少功率損耗會(huì)帶來(lái)額外的好處，例如更高效的配電、更少的散熱以及更簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)。許多電機(jī)控制應(yīng)用需要風(fēng)扇提供強(qiáng)制空氣冷卻，以便在設(shè)備的安全操作限制內(nèi)運(yùn)行。通過(guò)使用 GaN，可以降低功耗并實(shí)現(xiàn)“無(wú)風(fēng)扇”操作，這對(duì)于電子無(wú)人機(jī)等輕量應(yīng)用尤為重要。
在工業(yè)電源應(yīng)用中，電子設(shè)計(jì)人員還可以通過(guò)使用 SiC MOSFET 來(lái)獲益，與 IGBT 等傳統(tǒng)硅基解決方案相比，它可顯著提高效率、縮小散熱器尺寸并降低成本。 SiC 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單位面積極低的 R DS(on) 、高開(kāi)關(guān)頻率以及體二極管關(guān)斷后發(fā)生的反向恢復(fù)階段中可忽略不計(jì)的能量損失。
SiC器件在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中的使用是一個(gè)真正的突破，因?yàn)樗哂泄?jié)能、尺寸減小、集成度更高和可靠性高等特點(diǎn)。這些功能使其非常適合汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化控制等高可靠性領(lǐng)域。
在工業(yè)驅(qū)動(dòng)中，必須特別注意開(kāi)啟和關(guān)閉換向速度。事實(shí)上，SiC MOSFET dV/dt 可以達(dá)到比 IGBT 高得多的水平。如果處理不當(dāng)，高換向 dV/dt 會(huì)增加長(zhǎng)電機(jī)電纜上的電壓尖峰，并可能產(chǎn)生共模和差模寄生電流，隨著時(shí)間的推移，這些電流會(huì)導(dǎo)致繞組絕緣和電機(jī)軸承出現(xiàn)故障。盡管更快的開(kāi)啟/關(guān)閉可以提高效率，但出于可靠性原因，工業(yè)驅(qū)動(dòng)器中的典型 dV/dt 通常設(shè)置為 5 至 10 V/ns。

意法半導(dǎo)體對(duì)兩種類(lèi)似的 1.2kV 功率晶體管（SiC MOSFET 和 Si 基 IGBT）進(jìn)行的比較證明，與Si IGBT，即使在 5 V/ns 的施加條件下（圖 3）。

基于兩電平、三相逆變器的驅(qū)動(dòng)圖 3：基于兩電平、三相逆變器的驅(qū)動(dòng)器（STMicroElectronics）由于節(jié)能、尺寸減小、集成機(jī)會(huì)和可靠性等特點(diǎn)，碳化硅器件在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中的使用總體上是一個(gè)真正的突破。除其他選項(xiàng)外，現(xiàn)在可以在所連接電機(jī)的逆變器電路中使用開(kāi)關(guān)頻率，這為電機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了重要優(yōu)勢(shì)例如，英飛凌科技公司基于 SiC 的 CoolSiC MOSFET 采用 .XT 互連技術(shù)，采用 1,200V 優(yōu)化的 D?PAK-7 SMD 封裝，可在伺服驅(qū)動(dòng)器等功率密度關(guān)鍵型電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)冷卻，從而為機(jī)器人和自動(dòng)化行業(yè)提供支持實(shí)施免維護(hù)和無(wú)風(fēng)扇電機(jī)逆變器（圖 4）。

在自動(dòng)化領(lǐng)域，無(wú)風(fēng)扇解決方案帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼈児?jié)省了維護(hù)和材料方面的成本和精力。例如，英飛凌采用 .XT 互連技術(shù)的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 芯片解決方案以小尺寸提供極具吸引力的散熱能力，非常適合機(jī)器人手臂中的驅(qū)動(dòng)集成。CoolSiC MOSFET SMD 器件的短路耐受時(shí)間為 3 ?s，額定電阻為 30 mΩ 至 350 mΩ。這滿(mǎn)足了伺服電機(jī)的要求。

所有工作模式下的傳導(dǎo)損耗均降低圖 4：所有工作模式下的傳導(dǎo)損耗降低（英飛凌科技）微控制器電機(jī)控制解決方案由硬件和軟件組件組成。硬件組件是電子控制器件，如 IGBT、SiC 和 GaN MOSFET、功率二極管等，而軟件組件則解決日益復(fù)雜和精密的硬件控制問(wèn)題。針對(duì)功率器件的控制和管理而優(yōu)化的計(jì)算架構(gòu)的出現(xiàn)使開(kāi)發(fā)人員能夠獲得控制領(lǐng)域無(wú)法獲得的性能。
恩智浦半導(dǎo)體和瑞薩電子就是幾個(gè)例子。NXP 的 MPC57xx 系列 32 位處理器基于 Power Architecture 技術(shù)，除了其他汽車(chē)控制和功能管理功能外，還適用于汽車(chē)和工業(yè)動(dòng)力總成應(yīng)用。該處理器提供 AEC-Q100 質(zhì)量、用于防篡改的片上安全加密保護(hù)，并支持 ASIL-D 和 SIL-1 功能安全（ISO 26262/ IEC 61508）。它們提供以太網(wǎng) (FEC)、雙通道 FlexRay 以及針對(duì)不同通信協(xié)議的多 6 SCI/8 DSPI/2 I 2 C。
Renesas 提供 基于 Arm Cortex-M4 內(nèi)核的RA6T1  32 位 MCU，運(yùn)行頻率為 120 MHz，并具有一系列針對(duì)高性能和精密電機(jī)控制而優(yōu)化的外設(shè)。單個(gè) RA6T1 MCU 多可同時(shí)控制兩個(gè) BLDC 電機(jī)。此外，適用于 TinyML 應(yīng)用的 Google TensorFlow Lite Micro 框架為 RA6T1 MCU 增加了增強(qiáng)型故障檢測(cè)功能，為客戶(hù)提供智能、易于使用且經(jīng)濟(jì)高效的無(wú)傳感器電機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。
電機(jī)要求因應(yīng)用而異，可能需要針對(duì)特定??用例進(jìn)行優(yōu)化和微調(diào)。市場(chǎng)提供了多種 IGBT、WBG 半導(dǎo)體和 MCU 解決方案來(lái)滿(mǎn)足這些要求。然而，需要開(kāi)發(fā)新的硬件來(lái)卸載處理器的實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)，同時(shí)支持更多的診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)和人工智能以及功能安全系統(tǒng)。