《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考量
摘要: 在現(xiàn)代機(jī)器人設(shè)計(jì)中,頭部、頸部、四肢的任何活動(dòng)都需要各種各樣電機(jī)的支持,如傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)和其它特殊電機(jī),但這些電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制要求各有不同,如何實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)的精確控制解決方案?如何以最低的功耗實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制?常常對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是一大挑戰(zhàn)。本文將詳細(xì)地討論高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的各核心子系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)注意哪些問(wèn)題。
Abstract:
Key words :

     在現(xiàn)代機(jī)器人設(shè)計(jì)中,頭部、頸部、四肢的任何活動(dòng)都需要各種各樣電機(jī)的支持,如傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)和其它特殊電機(jī),但這些電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制要求各有不同,如何實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)的精確控制解決方案?如何以最低的功耗實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制?常常對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是一大挑戰(zhàn)。本文將詳細(xì)地討論高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的各核心子系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)注意哪些問(wèn)題。

 

高壓交流(HVAC)電機(jī)、工業(yè)逆變器或高壓永磁無(wú)刷電機(jī)是高電壓系統(tǒng)的幾個(gè)例子,它們典型地按他們的馬力進(jìn)行分類。雖然仍是最常見(jiàn)的,但其他類型電機(jī)也已經(jīng)出現(xiàn),如直線電機(jī)和內(nèi)嵌各種激勵(lì)器實(shí)現(xiàn)的齒輪頭電機(jī)。數(shù)字電機(jī)控制解決方案允許精確地控制這些機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩。在這類大型機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的MOSFET通常容量超過(guò)600V。


例如,TI有柵極驅(qū)動(dòng)解決方案TPS2829,一個(gè)同相高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)結(jié)合反饋環(huán)路中的TLV3501比較器時(shí),這些系統(tǒng)中的柵極就可以進(jìn)行數(shù)字控制。另外,TI的MOSFET驅(qū)動(dòng)器(如UCC37321或UCC37323)可以直接驅(qū)動(dòng)小馬達(dá)或驅(qū)動(dòng)功率器件,如MOSFET或IGBT。

高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)考慮因素


高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)考慮因素


高壓電機(jī)控制系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)包括:控制器、隔離、控制器接口和運(yùn)動(dòng)反饋。


控制器:TI還提供一系列的控制處理器解決方案,從超低功耗MSP430微控制器到TMS470基于ARM7的處理器和C2000數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)。恰當(dāng)?shù)目刂破骺梢詢?yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率,提高可靠性和降低整體系統(tǒng)成本。C2000控制器的32位DSP水平的性能和針對(duì)電機(jī)控制優(yōu)化的片上外設(shè)使用戶可以輕松地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的算法,如三相馬達(dá)的無(wú)傳感器矢量控制。C2000系列控制器(從低成本F28016到業(yè)界首個(gè)浮點(diǎn)DSC TMS320F28335)都保持軟件兼容。


隔離:TI的數(shù)字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器,它們采用二氧化硅進(jìn)行隔離,提供4kV的隔離能力。與隔離電源結(jié)合使用時(shí),這些器件可以阻隔高電壓,隔離地,并防止噪聲電流進(jìn)入本地地,以及干擾或損壞敏感電路。


控制器接口:RS-232或RS-422對(duì)許多系統(tǒng)而言足夠用了。RS-485信令可能會(huì)捆綁一些協(xié)議,如Profibus、Interbus、Modbus或BACnet,每個(gè)針對(duì)最終用戶的特定需求。有時(shí),控制器局域網(wǎng)(CAN)或EtherNet/IP(工業(yè)協(xié)議)優(yōu)先用于滿足聯(lián)網(wǎng)要求。M-LVDS是可以提供更低功耗的一種替代選擇。


使用外部電路的運(yùn)動(dòng)反饋:隔離的Delta-Sigma調(diào)制器(AMC1203/AMC1210)非常適合用于分流測(cè)量,以拉平毛刺和增加電流反饋分辨率。此外,INA19x(x=3到8)和INA20x(x=1至9)為低端和高端電流分流監(jiān)測(cè)提供很寬的共模電壓。


霍爾效應(yīng)或磁傳感器通常在測(cè)量超過(guò)10A的電流時(shí)更有效率,而且他們可固有地提供隔離能力。ADS1204、ADS1205和ADS1208是3個(gè)推薦器件。為了將±10V(20Vpp)信號(hào)連接到采用3.3V或5V電源的ADC上,可使用一個(gè)INA159電平差異放大器。像ADS7861/ADS7864或ADS8361/ADS8364的ADC可提供4通道或6聲道的同時(shí)電流取樣。

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