如何在實(shí)時(shí)電機控制系統中實(shí)現高效、可靠且準確的驅動(dòng)

在實(shí)時(shí)控制系列的前一部分內容中，我們深入介紹了處理的功能塊，在這一部分中，我們將討論實(shí)時(shí)控制的驅動(dòng)階段（更新系統），以及為什么此階段對于可靠的系統輸出運行很重要。

例如，在電機驅動(dòng)應用中，您可能會(huì )實(shí)時(shí)監控和測量速度、位置、扭矩和電機運行狀況，以便啟動(dòng)、加速或調節動(dòng)態(tài)速度，或讓電機系統減速。同樣，在半導體或電池測試設備中，您可以使用數模轉換器以快速控制環(huán)路的方式發(fā)送準確的模擬信號，從而調整基于氮化鎵 (GaN) 的服務(wù)器電源單元 (PSU) 在不同負載條件下的輸出功率，或者對在電源中斷期間驅動(dòng)不間斷電源中的金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET) 的柵極驅動(dòng)器進(jìn)行調整。在所有示例中，調制和調整實(shí)時(shí)控制系統的驅動(dòng)（對于電機驅動(dòng)、電池測試設備或電源單元等應用）都非常重要。

在運行期間，電機會(huì )經(jīng)歷不同的階段，其目的是為了實(shí)現可靠的電機驅動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，電機運行可分為以下階段：預啟動(dòng)、電機啟動(dòng)、開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和電機停止。閉環(huán)階段為系統提供準確的實(shí)時(shí)反饋，因為此階段會(huì )對各種變量進(jìn)行持續監測，然后通過(guò)閉環(huán)響應方式進(jìn)行驅動(dòng)，如圖 1 所示。

圖 1：電機運行階段

高效率

隨著(zhù)電氣化程度的不斷提高，支持多種電器和應用的能效標準越來(lái)越多，包括能源之星、80 Plus、ErP Lot 9 標準等。因此，務(wù)必要維持實(shí)時(shí)控制系統的高效率運轉，以便在快速變化期間降低功耗和系統工作量。一個(gè)非常高效的系統可以實(shí)現更快的響應、更低的擁有成本和更長(cháng)的使用壽命。

例如，掃地機器人需要根據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(guò)實(shí)時(shí)調整吸塵能力來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，因為它會(huì )檢測到地板材料或碎屑量的變化，或者是否有物體卡在機器人中。由無(wú)刷直流 (BLDC) 電機驅動(dòng)器驅動(dòng)的真空抽吸電機需要盡可能提高效率，因為它的功耗來(lái)源很多，例如開(kāi)關(guān)損耗、漏源導通電阻 RDS(on) 和 MOSFET 的壓擺率。要降低這些功耗，可以采用提高壓擺率、降低脈寬調制 (PWM) 輸出頻率、使用較低 RDS(on) MOSFET 驅動(dòng)電機或使用不同的 PWM 調制模式（如單端）等技術(shù)。

在購買(mǎi)白色家電時(shí)，消費者更傾向于選擇噪音更低的系統。BLDC 電機驅動(dòng)器通過(guò)正弦以及最近的場(chǎng)定向控制 (FOC) 等控制技術(shù)實(shí)現了更好的聲學(xué)性能，這些技術(shù)可以將磁通保持在 90 度，從而實(shí)現理想的電機效率。借助 TI 的單芯片無(wú)代碼無(wú)傳感器 MCF8316A BLDC 電機驅動(dòng)器，系統設計人員可以通過(guò)連續 PWM 調制、死區時(shí)間補償和可變換向模式等控制技術(shù)來(lái)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果。

圖 2：采用 MCF8316A 前后的可聞噪聲比較

可靠性高

實(shí)時(shí)控制系統保護機制可在不可預測的惡劣環(huán)境中保障可靠運行，例如高溫和低溫環(huán)境，或者外部因素可能對系統產(chǎn)生電氣甚至物理影響的環(huán)境。以可能包含移動(dòng)器件的系統為例，例如電機驅動(dòng)器。檢測或預測轉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 可在電機運行期間持續檢查不同的電機鎖定條件，并在檢測到鎖定事件時(shí)立即采取行動(dòng)。此處列舉一個(gè)真實(shí)的例子，當掃地機器人檢測到物體（例如毛巾卡在其路徑中）時(shí)，系統負載激增，這種情況會(huì )被系統判定為電機鎖定狀態(tài)，然后電機能夠向相反方向旋轉以松開(kāi)物體并繼續正常運行。

無(wú)代碼的電機驅動(dòng)器（例如 MCF8316）還可以管理重要功能（如電機故障檢測），并實(shí)施保護機制，使整個(gè)系統設計更加可靠。

圖 3 是典型 BLDC 實(shí)時(shí)控制電機系統的框圖，在這種系統中，電壓和電流檢測電阻不斷向控制器提供電機反饋（基于保護機制），然后控制器向電機驅動(dòng)器發(fā)送不同的 PWM 信號以便相應地進(jìn)行驅動(dòng)。

圖 3：無(wú)傳感器 BLDC 實(shí)時(shí)控制電機系統

精度

實(shí)時(shí)控制系統的精度對于可靠運行非常重要。典型的電機閉環(huán)系統依靠驅動(dòng)器的處理速度來(lái)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(shí)控制系統中，電流檢測放大器可在廣泛的共模電壓和溫度范圍內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氣道正壓通氣 (CPAP) 機器等應用中，精確的實(shí)時(shí)控制系統會(huì )持續監控空氣阻塞情況，并提供必要的空氣來(lái)打開(kāi)人的氣道。另一個(gè)示例是 DLP? 投影儀應用，其色輪電機系統需要具有高速精度 (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

結語(yǔ)

實(shí)時(shí)控制系統的驅動(dòng)階段取決于來(lái)自傳感階段的不同類(lèi)型的反饋，不斷監測系統條件的任何變化，然后將其發(fā)送到控制階段以解讀數據并發(fā)送下一個(gè)驅動(dòng)命令。無(wú)論目的是通過(guò)死區時(shí)間補償更大限度地減少可聞噪聲、提供電機鎖定檢測功能，還是希望提供準確的速度，BLDC 電機驅動(dòng)器在許多工業(yè)和汽車(chē)應用的驅動(dòng)器中都發(fā)揮著(zhù)重要作用。