如何選擇最適合的驅動控制晶片方案?

作者 : 劉于葦,EE Times China

馬達控制要考慮的情況稍複雜,在滿足至少3路正交PWM輸出和ADC採樣兩個基本要求後,在根據具體應用來選擇方案…

作為大部分機械電子產品中不可或缺的重要元件,馬達的發展史可以追溯到19世紀。當時大部分科學家對於電和磁之間的關係一直持否定態度,他們認為電和磁之間沒有因果關係。但是丹麥物理學家、化學家漢斯·克裏斯蒂安·奧斯特(Hans Christian Ørsted)受一種科學思潮的影響,信奉德國哲學家、作家伊曼努爾·康德(Immanuel Kant)的哲學,認為自然界的各種力可以相互轉化,也可以統一。

電生磁,磁生電

1820年4月21日晚,奧斯特在用伏打電池為白金通電進行電學演示實驗時,無意識地扳動電源開關,偶然發現一枚放在細長鉑絲導線附近的小磁鍼輕微地晃動了一下,然後停在與導線垂直的方向上。這就是著名的「電流的磁效應」發現的經過,簡稱「電生磁」,後來的人們把它稱為「電磁學第一定律」。

遺憾的是,奧斯特沒能以它來發明用電驅動、連續轉動的裝置——馬達。直到1821年,英國物理學家、化學家法麥可·法拉第(Michael Faraday)在重複奧斯特「電生磁」實驗的時候,才製造出了人類史上第一台最原始的馬達的雛形——一種在水銀盃中固定的磁鐵(或固定的導線)圍繞固定的通電導線(或固定的磁鐵)連續旋轉的裝置。

 

 

在發現「電生磁」之後,許多物理學家也都在思考:既然電能生磁,那麼能不能「磁生電」呢?

法拉第1822年開始潛心設計過許多種類的「磁生電」裝置,但都沒有看到期望的電流產生。直到1831年8月,他才發現「感生電流」,這種「電磁感應」(現象)即「磁生電」。同年10月,法拉第製成了圓筒形線圈和磁棒組成的原始發馬達。

在接下來的近200年中,電能成為現代社會最主要的能源之一,而在電能的生產、輸送和使用等方面,馬達扮演著至關重要的角色。據Grand View Research 的研究,到2025年,全球馬達市場將達到1,550億美元。

馬達的三種分類方法

隨著科學的進步,生產力的迅速發展,馬達更新換代的速度日益加快。從最初的直流馬達到現在大熱的超聲馬達,應用範圍也越來越廣,遍及生產生活的各個領域。按照不同的原理、技術,馬達可以有多種分類方法。

如果依照工作電源分類,可以分為直流馬達和交流馬達。直流馬達包括有刷直流馬達和無刷直流馬達,有刷直流又進一步分為永磁直流和電磁直流;交流馬達則可以分為單相馬達和三相馬達。

如果按照結構和工作原理,可以劃分為直流馬達、非同步馬達和同步馬達,後兩者屬於交流馬達。非同步馬達又可以分為感應馬達和交流換向器馬達,同步馬達則分為永磁同步、磁阻同步和磁滯同步三種。

最後依用途劃分,可以分為驅動用馬達和控制用馬達兩大類。驅動用馬達包括無換向器馬達和換向器直流馬達,控制用馬達包括步進馬達和伺服馬達。

馬達種類繁多,直流有刷馬達由於驅動簡單,被大量使用在日常消費品中;步進馬達,特別是閉迴路步進馬達,非常適合應用於對精準度有一定要求的低成本市場,如紡織機具、ATM、驗鈔機等低成本的工業控制;無人機、花園工具等需要小體積但大轉矩的應用尤其青睞直流無刷馬達;而永磁同步馬達(PMSM)主要應用於需要對位置、轉速、轉矩進行高精準度控制的產品中。

一些時下熱門的馬達應用

所有的馬達都是基於相同的原理,當電荷施加在線圈(定子)上時,它就成為了一個電磁鐵。定子位於具有相反極性的磁鐵場內,形成轉子。當對電磁鐵的電荷被迅速切換時,使用一種叫做換向器的裝置,馬達的軸可以旋轉。

交流馬達中的同步交流馬達需要直流電源來為轉子繞組供電,而非同步馬達則不需要這種額外的電源。對於自動化應用,可變磁阻交流馬達是常見的,因為這可以作為基礎的步進馬達。

當前,直流馬達(通常是無刷直流(BLDC)馬達)變得非常流行,因為它們可以提供高能效。無刷直流馬達中的永磁體放置在轉子上,而電磁鐵則駐留在定子上。步進馬達是直流馬達的另一種設計,因為它有一個由幾個磁鐵組成的轉子,類似於齒輪上的齒,這使得馬達的角度可以被精細地控制,以實現所需的機械輸出。

步進(單極或雙極)馬達,有刷直流馬達和伺服馬達是最常見的自動化應用,可見於汽車設計和機器人中;非同步(感應)和同步(永磁)馬達也常見,是強固和典型的低成本。馬達類型用於任何給定應用現已發展到這樣一種程度,有許多可供設計人員選擇的配置選項。

隨著控制單元與馬達類型和應用高度匹配,數位控制正日益流行。如壓縮機或泵等需要以每秒特定轉速運轉的馬達速度,可以使用數位控制系統更精確地控制;數位控制系統對變速馬達也是有效的,其速度與頻率成正比。需要理解的重要因素是,隨著馬達應用的發展,它們的控制系統也必須發展。開發人員需要一個高效、靈活的馬達控制設計環境,該環境提供了一套工具,以促進演進設計和快速原型開發。

淺談馬達驅動控制方案選型要點

先來看看馬達驅動晶片,它們一般是整合CMOS控制電路和DMOS功率元件的晶片,利用它可以與主處理器、馬達和增量型編碼器構成一個完整的運動控制系統。可以用來驅動直流馬達、步進馬達和繼電器等感性負載。

馬達驅動晶片採用標準的TTL邏輯電平訊號控制,具有兩個使能控制端,在不受輸入訊號影響的情況下允許或禁止元件工作,有一個邏輯電源輸入端,使內部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測電阻,將變化量回饋給控制電路。

以驅動一個直流無刷馬達為例,必備要素包括MCU + 閘級驅動器或Pre-Driver (預驅)和功率元件(MOSFET),MCU晶片透過PWM波形控制預驅晶片,進而預驅晶片控制功率元件(MOS、IGBT),甚至在一些小功率應用中還出現了整合全部鏈路的情形。

在馬達驅動電路的設計中,應重點關注的參數包括馬達驅動電壓、峰值電流、轉動方面和速度,以及屬於H全橋還是H半橋,與MCU主控的通信介面是SPI、I2C還是CAN等。對於PWM調速的馬達驅動電路,選擇驅動晶片時還需要考慮輸出電流和耐壓、效率、不同的溫度、電阻、磁場變化對控制輸入端的影響、對電源的影響以及可靠性等指標。

在當前可攜式裝置、物聯網和5G應用越來越普及的情況下,對馬達驅動的高精準度、小型化、高整合度、低功耗要求越來越高;而自動化生產線則對馬達驅動的高可靠性和長壽命提出了苛刻的要求。不同的應用場合,採用不同的驅動方案是必要的,中國上海數明半導體在一篇技術文章中依整合度的不同,將主流馬達驅動器方案分為了3種:系統單晶片(SoC)方案、整合的控制方案(ICS)和閘極驅動器方案。

1.SoC方案將DC-DC、閘級驅動器、控制器、逆變器及回饋/保護等整合到單個晶片上,整合度高,適合空間受限的應用,簡單易用;

2.ICS方案相對於SoC方案,沒有整合逆變器,因而可透過外部MOSFET支持寬範圍的功率,適用於功率較大的應用,靈活性較高;

3.閘級驅動器方案則只整合DC-DC、閘級驅動器和回饋/保護,因為控制器和功率元件都在外部,所以具有最高的靈活度。

在設計馬達控制時要考慮的情況稍微複雜,因為馬達種類本就繁雜,在每一種應用場合下對控制又有著不同的要求。在滿足至少3路正交PWM輸出和ADC採樣兩個基本要求後,在根據具體應用來選擇方案。簡單的六步控制,可能採用普通的51單片機就夠用;如果要用在工業上,以前DSP用的比較多,現在可能大多切換到Arm架構的MCU;再往上用到汽車上就要滿足車規級的MCU;伺服系統如果追求高性能,不少是用DSP或MCU + FPGA。

可見面對林林總總的馬達應用挑戰時,根據設計要求選擇一顆合適的MCU是業內人士將面臨的第一個選擇。MCU的CPU頻率、ADC採樣速度、PWM性能從硬體上決定著馬達控制回路中電流、速度和位置的回應速度,MCU的整合度也決定了整個系統的複雜程度和成本控制。

另外,當前傳統AC馬達設計轉換到更為成熟的BLDC馬達/PMSM設計是一大熱點,但BLDC馬達/PMSM需要更複雜的電子控制,很多傳統馬達產業工程師只瞭解硬體,缺乏對電子控制演算法和將複雜數學計算轉換為軟體編碼的經驗和專有技術,軟體的好壞可影響系統複雜性和成本。因此,如何從系統層面加以軟體支援,是很多馬達驅動晶片廠商正在思考的事情。

小結

隨著越來越多的產業接受自動化可提供的優勢,馬達及其驅動控制的市場繼續擴大。設計人員面臨不斷縮短的開發週期,同時也面臨著創新的挑戰,這使得選擇合適的馬達控制系統至關重要。基於MCU/DSP/FPGA等各種控制技術,也將在各自擅長的領域分別發揮作用,你的具體案例如何選擇最適合的晶片方案?

本文原刊登於EE Times China

 

 

 

 

 

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