步進(jìn)電機(jī)和永磁同步電機(jī)越來越多地服務(wù)于需要高效率和出色性能的控制應(yīng)用。當(dāng)前的電機(jī)控制技術(shù)包括使用微電子技術(shù)來改進(jìn)對(duì)速度、位置和扭矩的控制，以及提高效率。

步進(jìn)電機(jī)是能夠?qū)㈦娒}沖轉(zhuǎn)換為離散機(jī)械步驟的機(jī)電設(shè)備。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娒}沖序列（強(qiáng)度和方向均隨時(shí)間控制）應(yīng)用于電機(jī)時(shí)，曲軸以離散的步數(shù)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)是需要精確控制運(yùn)動(dòng)范圍的應(yīng)用的理想解決方案。它們能夠控制旋轉(zhuǎn)角度、速度、位置和同步。步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是它們不需要反饋機(jī)制；無需使用編碼器即可精確確定位移量。

永磁同步電機(jī) (PMSM) 允許非常快速和精確的扭矩和速度控制，即使在操作瞬態(tài)期間也能確保最佳效率。它們卓越的性能歸功于它們?cè)谡麄€(gè)速度范圍內(nèi)非常規(guī)律的旋轉(zhuǎn)、零速度下的全扭矩控制以及高加速和減速值。PMSM 的應(yīng)用眾多，包括電器（洗衣機(jī)、洗碗機(jī)泵、冰箱和空調(diào)）、醫(yī)療設(shè)備（CPAP 和 VPAP 機(jī)、泵、輪椅）、電動(dòng)汽車、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)取款機(jī)、工業(yè)執(zhí)行器、風(fēng)扇、泵，和鼓風(fēng)機(jī)。

單極和雙極步進(jìn)器

單極步進(jìn)電機(jī)由兩個(gè)相同的線圈組成，兩個(gè)線圈都帶有未電氣連接的中間抽頭。通過為雙線線圈對(duì)的一端供電而使流動(dòng)反向，中間抽頭用作公共極。單極步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于使用每相具有中間抽頭的繞組；針對(duì)磁通量的每個(gè)方向激活繞組的每一側(cè)。開關(guān)電路非常簡單，因?yàn)樵撛O(shè)備具有可以在不改變電流方向的情況下反轉(zhuǎn)的磁極。然而，由于每個(gè)線圈只有一半被磁化，單極步進(jìn)電機(jī)的磁力會(huì)降低，從而限制了可用的扭矩值。

雙極步進(jìn)電機(jī)類似于單極步進(jìn)電機(jī)，但它們的線圈沒有中間抽頭。雙極電機(jī)的驅(qū)動(dòng)稍微復(fù)雜一些，通常基于能夠反轉(zhuǎn)繞組極性的 H 橋，從而反轉(zhuǎn)磁通量。由于雙極電機(jī)的每個(gè)繞組僅使用一個(gè)較大的線圈，因此繞組電阻較低，可以獲得更高的扭矩值。

由于驅(qū)動(dòng)電路的簡單性，單極步進(jìn)電機(jī)仍然在一些應(yīng)用中使用，它只需要幾個(gè)分立元件。然而，隨著在減小電子元件尺寸和成本方面取得的進(jìn)展，最近的步進(jìn)應(yīng)用傾向于使用雙極步進(jìn)電機(jī)。

驅(qū)動(dòng)雙極步進(jìn)器

驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩種最常見模式是全步和半步。在全步模式下，兩相始終同時(shí)激活，電機(jī)始終提供額定扭矩。這種控制方式只需要四個(gè)方波信號(hào)，可由單片機(jī)PWM模塊產(chǎn)生。占空比保持固定，持續(xù)時(shí)間等于單步。根據(jù)初始階段，軸將順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

半步模式稍微復(fù)雜一些。在這種情況下，根據(jù)特定時(shí)間只激活一相或兩相，電機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘脈沖前進(jìn)半步。這種模式可以獲得更高的位置值分辨率并消除不穩(wěn)定性。然而，由于扭矩不會(huì)隨時(shí)間保持恒定，因此半步解決方案會(huì)產(chǎn)生共振和振動(dòng)現(xiàn)象。

驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的另一種方式是波形驅(qū)動(dòng)模式，其中在任何給定時(shí)刻只有一個(gè)相處于活動(dòng)狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員很少選擇這種模式，因?yàn)樗实拖拢⑶蚁鄬?duì)于其他方法產(chǎn)生的扭矩值較低。

最后，還有第四種模式，微步進(jìn)，它可以提供非常高的分辨率值并通過恒流調(diào)節(jié)防止扭矩振蕩。微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器通過遵循正弦曲線來增加或減少驅(qū)動(dòng)電流，因此在任何時(shí)候，都不會(huì)完全關(guān)閉或打開極點(diǎn)。

所有驅(qū)動(dòng)模式都可以使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路來獲取信號(hào)，但最常用的解決方案是基于專為控制步進(jìn)電機(jī)而設(shè)計(jì)的集成電路。

圖 1：L9942 框圖（圖片：STMicroelectronics）

目前市場(chǎng)上有幾種 IC 可以驅(qū)動(dòng)雙極步進(jìn)電機(jī)并實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)等高級(jí)功能。例如，STMicroelectronics 的 L9942 是一款用于雙極步進(jìn)電機(jī)的集成驅(qū)動(dòng)器，具有微步和可編程電流曲線查找表 (LUT)。該器件包括兩個(gè)用于最大 1.3 A 負(fù)載的全橋 (RDS(on) = 500 mΩ)，并且可以針對(duì)全步進(jìn)、半步進(jìn)或微步進(jìn)模式操作進(jìn)行編程（圖 1）。該器件可以通過 SPI 接口和一些離散邏輯信號(hào)輕松地與微控制器連接。L9942 包含邏輯塊，用于檢測(cè)由機(jī)械負(fù)載過大引起的電機(jī)堵轉(zhuǎn)，在這種情況下，負(fù)載電流的上升速度比正常操作期間快得多。

圖 2：DRV8436/DRV8437 框圖（圖片：德州儀器）

德州儀器 (TI) 的 DRV8436 和 DRV8437 具有兩個(gè) N 溝道功率 MOSFET H 橋驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)微步進(jìn)索引器和集成電流感應(yīng)（圖 2）。DRV8436/37 可以分別驅(qū)動(dòng)高達(dá) 1.1 A 和 0.8 A 的輸出。驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電流檢測(cè)架構(gòu)無需兩個(gè)外部功率檢測(cè)電阻器，從而節(jié)省了 PCB 面積和系統(tǒng)成本。智能調(diào)諧衰減技術(shù)可自動(dòng)調(diào)整以獲得最佳電流調(diào)節(jié)性能并補(bǔ)償電機(jī)變化和老化影響。一個(gè)簡單的 STEP/DIR 接口允許外部控制器管理步進(jìn)電機(jī)的方向和步進(jìn)速率。為電源欠壓、電荷泵故障、過流、短路、開路負(fù)載和過熱提供保護(hù)功能。

PMSM控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)高效率，在永磁同步電機(jī)的控制中應(yīng)用了稱為磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的特殊矢量算法。該算法將定子電流分解為用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的部分和用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的部分。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，在分解之后，可以分別控制兩個(gè)組件。

在 PMSM 中，扭矩是由兩個(gè)磁場(chǎng)的聯(lián)合作用產(chǎn)生的：一個(gè)磁場(chǎng)用于定子，另一個(gè)磁場(chǎng)用于轉(zhuǎn)子。磁通量決定了作用在定子上的磁場(chǎng)，因此由施加到定子上的電流產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生的磁通量表示，因此可以認(rèn)為是恒定的。當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)相互垂直時(shí)，由這兩個(gè)磁場(chǎng)（負(fù)責(zé)扭矩）的聯(lián)合作用產(chǎn)生的力最大。因此，目標(biāo)是適當(dāng)?shù)乜刂贫ㄗ与娏鳎蛊洚a(chǎn)生垂直于轉(zhuǎn)子磁體的矢量。

在電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)期間，施加到定子的電流必須以這樣的方式持續(xù)更新，即與定子磁通相關(guān)的矢量與與轉(zhuǎn)子磁體流動(dòng)相關(guān)的矢量之間的角度始終等于 90°。該問題的經(jīng)典解決方案使用基于微控制器的算法，該算法連續(xù)調(diào)整定子電流的相位和幅度。

相位控制需要了解轉(zhuǎn)子位置，通常通過絕對(duì)位置傳感器（旋轉(zhuǎn)變壓器）或相對(duì)位置傳感器（編碼器）獲得。在某些應(yīng)用中，使用基于霍爾效應(yīng)的磁性位置傳感器作為替代。幅度控制是使用比例積分 (PI) 控制器實(shí)現(xiàn)的，該控制器作用于相電流、位置和電機(jī)速度等變量。

無傳感器 PMSM 控制

有效的 PMSM 控制需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，但在某些應(yīng)用中，使用外部傳感器可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在這種情況下，將使用間接或估計(jì)的位置檢測(cè)技術(shù)而不是機(jī)械傳感器（它提供曲軸位置的直接測(cè)量）。用于估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的方法因所使用的電機(jī)類型而異。對(duì)于低轉(zhuǎn)速，頻率注入和開環(huán)啟動(dòng)等機(jī)制很常見。對(duì)于中高速，反電動(dòng)勢(shì) (BEMF) 觀測(cè)器技術(shù)通常用于檢測(cè)電機(jī)繞組中感應(yīng)的 BEMF 的零交叉點(diǎn)。

PMSM 控制解決方案

STMicroelectronics 提供全系列的組件和評(píng)估板來優(yōu)化無刷直流 PMSM 電機(jī)控制系統(tǒng)。這些器件具有高效率、低噪聲和更長的使用壽命，據(jù)說能夠以低成本快速上市。例如，EVAL6393FB 參考設(shè)計(jì)演示了如何使用兩個(gè) L6393 驅(qū)動(dòng)器通過全橋拓?fù)潋?qū)動(dòng)單相負(fù)載。該板具有優(yōu)化的布局，可以通過施加總線電壓和方向信號(hào)來運(yùn)行。該驅(qū)動(dòng)器可提供 150 W（3.0 Arms 時(shí)為 50 V）的輸出功率，占用空間更小，并通過外部邏輯信號(hào)實(shí)現(xiàn)具有過流保護(hù)的 PWM 電壓模式控制。

英飛凌科技的 XMC1000 電機(jī)控制應(yīng)用套件提供了一個(gè)完整的硬件和軟件平臺(tái)，用于評(píng)估和開發(fā)基于英飛凌 XMC1300 系列微控制器的 PMSM FOC 無傳感器系統(tǒng)。該套件適用于風(fēng)扇、泵和電動(dòng)自行車等目標(biāo)終端應(yīng)用，包括帶有可拆卸 SEGGER J-Link 調(diào)試接口的 XMC1300 MCU 板和 PMSM 低壓 15W 電機(jī)卡。

該應(yīng)用卡展示了電機(jī)控制算法，例如使用霍爾效應(yīng)傳感器的塊換向、V/F 控制和使用 XMC1300 器件的場(chǎng)定向控制，包括基于英飛凌 DAvE IDE 的工具鏈。PMSM LV15W 配備 2 × 30 引腳連接到 XMC1300 CPU 卡、使用英飛凌 N 溝道雙 OptiMOS 功率晶體管的三相低壓全橋逆變器、具有過電流的柵極驅(qū)動(dòng)器 IC (6EDL04N02PR)檢測(cè)電路，通過單或三分流器測(cè)量電流，通過霍爾傳感器或正交編碼器接口進(jìn)行位置感測(cè)，適用于單端和差分信號(hào)。

當(dāng)今使用的控制技術(shù)范圍從直流和通用電機(jī)中的簡單電壓和電流控制到交流電機(jī)的逆變器和步進(jìn)電機(jī)的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)序列的數(shù)字電路的使用。電機(jī)控制電路必須快速激活和停用電機(jī)線圈中的電流，同時(shí)將開關(guān)中的開關(guān)或傳導(dǎo)損耗降至最低。微電子設(shè)備有助于為工業(yè)用途提供所需的精度和效率。

審核編輯：劉清