使用旋轉變壓器的電機控制設計

如今，在科技的浪潮下，機械設備的智能化發(fā)展已經(jīng)成為一種必然趨勢，這使得高能效的電機控制設計面臨著(zhù)嚴峻的挑戰。與此同時(shí)，隨著(zhù)電子產(chǎn)品精細化發(fā)展趨勢顯著(zhù)，能夠在體積和成本雙重受限的狀況下，還能保持長(cháng)期運行且安全可靠的電機控制設計更是難上加難。

為了縮短客戶(hù)的研發(fā)時(shí)間，減輕客戶(hù)的研發(fā)難度，瑞薩電子推出了使用旋轉變壓器的電機控制方案，該方案提供了具有旋轉變壓器位置控制功能的步進(jìn)電機設計和可選的BLDC電機設計，集成了一個(gè)帶內置旋轉變壓器的馬達、MCU、旋轉變壓器、數字轉換器、電機驅動(dòng)器，以及用于電機和控制電路的電源IC，不僅具有極高的性能，而且高集成度和緊湊的設計，也可使其應用于體積受限的應用中。

系統框圖

MCU選型

本方案采用了RX24T與RX651/RA6E1的雙MCU控制。其中，RX24T系列屬于32位微控制器，特別適于雙逆變器控制。其內置浮點(diǎn)單元（FPU），能夠輕松地對復雜的逆變器控制算法進(jìn)行編程。這極大地縮短了軟件開(kāi)發(fā)和整體維護所需的時(shí)間。RX24T微控制器設計確保最高的抗擾度，能夠為任何采用逆變器的設備提供高可靠性。而RX651則非常適用于需要增強安全性、連接功能和HMI功能的物聯(lián)網(wǎng)設備。

步進(jìn)電機

本方案采用了2個(gè)全橋FET驅動(dòng)器HIP4082、1個(gè)低壓差線(xiàn)性穩壓器RAA214220以及1個(gè)旋轉變壓器數字轉換器（RDC）IC RAA3064002/3的設計。HIP4082 H橋驅動(dòng)器專(zhuān)門(mén)針對PWM電機控制和UPS應用。該器件的工作電壓高達80V，非常適用于中等功率水平的應用，且器件內部不包含電荷泵，但具有上層驅動(dòng)電路的非鎖存電平移位轉換控制。這樣的功能和規格對于尺寸和成本有需求的應用非常友好。

RAA214220低壓差線(xiàn)性穩壓器具有2.5V–20V的寬輸入電壓范圍以及出色的線(xiàn)路和負載調節能力。并在內部集成了多種故障保護功能，這些特性使其適用于電池供電和USB設備。RAA3064002/3 RDC IC的作用是將來(lái)自旋轉變壓器的角度模擬信號轉換為數字信號，從而供MCU處理。

借助這些器件，步進(jìn)電機解決方案實(shí)現了以下特點(diǎn)：

●    通過(guò)帶有旋轉變壓器位置信息的伺服控制實(shí)現了無(wú)失步裕度，最大程度地提高電機扭矩，縮小電機尺寸，并通過(guò)減少齒輪（減速器）來(lái)降低BOM成本。

●    通過(guò)減小轉矩紋波的伺服控制實(shí)現低噪音和低振動(dòng)。通過(guò)減少阻尼器和縮小系統尺寸來(lái)降低BOM成本。

●    通過(guò)用最小所需電流控制扭矩來(lái)減少功率消耗。通過(guò)降低電機的熱量產(chǎn)生來(lái)降低冷卻系統成本。

得益于這些性能，本方案可用于辦公自動(dòng)化和工業(yè)應用的高性能電機驅動(dòng)裝置，例如可用于掃描儀、多功能打印機和自動(dòng)存款機。

BLDC電機設計

方案采用了RAA227063智能柵極驅動(dòng)器IC和RAA3064002/3旋轉變壓器數字轉換器（RDC）IC。其中，RAA227063適用于三相無(wú)刷DC（BLDC）電機應用。它集成了三個(gè)半橋智能柵極驅動(dòng)器，能夠驅動(dòng)多達三個(gè)N溝道MOSFET橋，支持4.5V至60V的橋電壓。并具有可編程驅動(dòng)強度控制。實(shí)現了可調和自適應死區時(shí)間，以確保魯棒性和靈活性。

BLDC電機解決方案是一款可用于自動(dòng)引導車(chē)AGV、小型車(chē)、服務(wù)機器人和機動(dòng)自行車(chē)應用的高性能電機驅動(dòng)裝置，能夠實(shí)現以下優(yōu)勢：

使用高精度位置信息和高分辨率旋轉變壓器，通過(guò)伺服控制來(lái)實(shí)現精細運動(dòng)/停止控制。

通過(guò)提高位置分辨率和優(yōu)化速度響應，來(lái)抑制旋轉不均的情況并減少造成震動(dòng)的波紋。甚至可以在高速的情況下抑制震動(dòng)/振動(dòng)，并快速移動(dòng)到目標值。

該旋轉變壓器由銅板或鋼板制成，無(wú)需精密零件，因此不易斷裂，并且經(jīng)久耐用。在任何環(huán)境下（如熱、油、灰塵和強振動(dòng)）都能保持傳感器的功能和性能。

使用旋轉變壓器的電機控制設計將步進(jìn)電機方案和BLDC電機方案結合在一起，為客戶(hù)帶來(lái)精確控制和高電機性能的同時(shí)，最大程度地減少了客戶(hù)的研發(fā)時(shí)間。未來(lái)，瑞薩也會(huì )在此基礎上繼續研發(fā)新的產(chǎn)品，為電機發(fā)展貢獻力量。