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无刷直流电机中小型控制致动系统的设计

归档日期:04-26       文本归类:额外扇区      文章编辑:爱尚语录

  随着成本上升,客户需要更小,更长距离的产品,弹药系统很快就会像其他工程领域一样受到成本的限制。为了在飞行中有效地驱动和控制这些弹药,小型控制致动系统(CAS)进行小的精确调整以放置鳍片并调节身体上方的气流。传统上,这些系统是气动的或通过带有齿轮箱的有刷直流电机驱动,但是包括无刷直流电机(BLDC)在内的电机驱动器的现代技术已经实现了更小,更轻,更便宜和更高效的CAS设计。然而,这需要增加系统复杂性以驱动BLDC的三个阶段。

  增加的复杂性来自许多来源。首先,虽然传统的有刷直流电机只需要一个H桥,但BLDC需要三对独立的MOSFET来驱动相位。这增加了少量成本并且需要PCB上额外的占地面积。在驱动这些MOSFET时,必须注意避免电流击穿,如果顶部和底部同时启用,可能会破坏MOSFET。必须特别注意在脉冲宽度调制(PWM)的顶部和底部驱动线之间插入的死区时间。

  从软件的角度来看,可以使用简单的PID回路控制常规有刷电机虽然BLDC需要更高级的环路和换向策略 - 通常测量绕组电流,相电压,转子角度和速度。

  BLDC是定子上的电磁铁的集合,永磁体附着在可动转子上。电动机可以是一个先行者(线圈内部的磁铁)或外部电动机(线显示了BLDC inrunner和outtrunner。在两种情况下,三相导线围绕定子中的齿缠绕(U,V,W或A,B,C)。这些绕组依次通电以吸引和排斥永磁体(红色/蓝色)。

  标准微处理器或DSP没有电流驱动强度来直接充分激励线圈,因此,由MOSFET组成的功率逆变器级(每相两个)通常用于将PWM驱动器从控制接口转换为电机所需的高压驱动器。

  通常,三相逆变器使用六个N沟道MOSFET(见图2的顶部),产生图2底部所示的开关状态。有几种开关状态未显示:001,010,011和101.A 1表示启用前三个MOSFET中的一个。这些状态映射到状态空间表示,如图3中的六个扇区所示。通过打开和关闭开关,施加到绕组的电压最大可达到2/3×V DC 。该策略的自然延伸是将PWM应用于每对MOSFET。通过改变PWM波形的占空比,绕组中产生的电压可以产生宽范围的电压,具体取决于PWM生成系统的分辨率。

  在没有PWM的情况下,非常自然的换向策略是简单地激励每对绕组(即,块换向或六步换向)。对于这种策略,一个或两个相被拉高,而剩余的绕组被驱动为低。通过依次激励相,转子上的磁铁被拉到每相,转子开始旋转。为了确定要激励的相位,三个霍尔效应传感器通常以60度电角度安装在定子上。霍尔效应传感器检测每个转子磁体并产生3位数字序列,用于确定下一个换向区域。虽然这种策略适用于低成本电机控制系统,但该策略在低速时会受到扭矩波动的影响。此外,如果电机用于定位/伺服应用,这种转矩脉动会产生声学噪声并引入位置误差。 1

  正弦换向的工作原理是定子电流与定子电流对齐BLDC中的定子磁通。 BLDC基于通过绕组的梯形电流移动。这些电流中的每一个应该是120异相。永磁同步电动机(PMSM)类似于BLDC,但需要正弦电流来驱动。图4显示了如何驱动PMSM的方框图。通过使用速度传感器或使用基于位置轴传感器和电机参数的估算来实现简单的速度控制。正弦波驱动在低速时特别好,但在高速时会分开,因为所需正弦波的电频率也必须随着速度而增加。在更高的速度下,电机需要更高的转矩,这会在相电流中引入滞后。 2 为了在更高的速度下正确控制,通常必须引入相位前进以保持转矩和磁通矢量正确对齐。

  为了克服这个问题,可以实现一种称为磁场定向控制(FOC)的更先进的控制方案。与其他换向策略一样,FOC可以无传感器实现,可根据绕组产生的反电动势估算位置和速度,或通过位置和电流传感器进行传感。 FOC的基础是控制进入电动机绕组的转矩和磁通矢量。这些矢量的生成来自电机的所需速度输入。

  使用电机的电气和机械常数(惯性矩,摩擦系数,定子绕组的电感和电阻以及反电动势常数),图5中的PI回路将所需速度转换为直流量。为了控制电机的电气循环,必须将这些量转换为转子的参考系(图6),以便使用Park产生V 和V 转变。 FOC的下一步是将V 和V 转换为发送到PWM逆变器单元的PWM值。通常,正弦调制方案(SPWM)或空间矢量调制方案(SVPWM或SVM)用于此过程。

  如前所述,通过控制切换在功率逆变器内的MOSFET中,可以创建空间矢量表示,如图3所示。相邻单位矢量之间的空间被编码以产生1到6之间的扇区,以对应于换向电循环的六个开关扇区。 。图3中的扇区1的特写如图7所示。电压矢量V REF 由电压矢量V 和V 组成。 / sub,角度是V d 的反正切除以V q 。 3 图7显示V REF 可以通过使用两个相邻的单位向量(V 1 和V 2 )导出,并在每个州花费特定的时间(对应于一个任务)周期)。该占空比可以通过使用与矢量数学得到的方程类似的方程来计算(见图8)。

  根据图7中的公式,可以通过使用1.0的归一化时间(等于完整的100%占空比)并减去T n 来找到PWM时间。 Ť子 n + 1个 。可以通过额外的计算确定扇区,如图9所示。

  计算完占空比并将其发送到控制器的PWM模块后,使用FOC进行开环控制实现。现在必须集成反馈以实现闭环控制。如图4所示,使用逆Clarke和逆Park变换测量和变换三个绕组的电流。为了测量这些电流,可以使用几种不同的策略:与每个相绕组并联的分流检测,底部三个MOSFET与地之间的单个低端分流器,每个MOSFET接地之间的相分流器,或每个MOSFET之间的高侧分流器顶部MOSFET和V DC 。如果设计成本受限,则使用与绕组一致的两个分流器的方法提供了良好的测量,因为这提供了直接测量两个绕组电流的直接方式。第三个电流可以通过使用基尔霍夫电流定律和0的总和来计算。另一个好处是可以在任何时刻测量电流,而不是仅在底部或顶部MOSFET被启用时测量。在测量这些电流后,应使用分流系统可测量的最大电流将它们归一化到[-1,+ 1]的范围。

  对于位置和速度传感,编码器(相对或绝对) ,可以使用霍尔效应传感器,旋转变压器或磁角度传感器。但是,根据传感器的分辨率,可能需要额外的位置和速度估算方案。无论采用何种技术,测量的角度必须转换为电角度,以使换向与实际转子位置同步,并实现转子变换。角速度也必须是已知的,但这通常保持在机械域中以匹配所需的输入速度。

  通过已知转子的实际位置和速度,可以执行反向/反向Park和Clarke变换,以将相位电流从静止定子参考系转换为d,q参考系中的旋转参考系。产生电流和速度误差项的PI循环创建误差向量,然后反馈到前向Park和Clarke变换中,控制过程可以重复。

  那么这个过程应该多快重复一次?答案取决于电机特性。通常选择PWM频率在听觉范围之外(15kHz至30kHz),使得电动机不会发出声音共振。然后在PWM中断服务程序中实现FOC和所需的控制环路,以便PWM的新值可用于下一个PWM周期。这对FOC例程施加了严格的时序限制,因为服务PWM中断所花费的任何时间都不用于服务控制处理器的其他方面(例如基于PC的程序的串行接口)。 PWM频率为30 kHz,每个PWM ISR仅为33.3s。所以每微秒都很重要!必须注意尽量减少正弦和余弦以及其他浮点计算的计算开销。通常,最好将FOC例程保持在可用PWM ISR时间的50%以下,因此处理器可以为其他外设(如UART)提供服务,以便为不太重要的任务提供服务,例如更改所需的速度或设置新位置。

  鉴于实施FOC本身已经很复杂,仔细选择部件有助于最大限度地减少额外的系统集成挑战。 ADI公司为电机控制信号链提供了许多部件。这些部件包括栅极驱动器,绝对角度和霍尔效应传感器,电流传感器和隔离产品。

  图10中可以看到电机控制信号链组件的简单框图。在高级别,使用ADA4571 AMR角度传感器和AD22151磁场传感器检测BLDC轴位置和速度。相绕组电流使用内联分流电阻测量,AD8418电流检测放大器消除PWM共模电压。 LTC2345-18 8×18位ADC将来自传感器的6个模拟电压转换为微控制器的数字领域。微控制器使用这些信号计算PWM占空比,并将其发送到硬件定时器。 LT1158 MOSFET驱动器用作功率逆变器的六个MOSFET的栅极驱动器。

  LT1158是一款集成半桥N沟道MOSFET驱动器。虽然电源电压范围为5 V至30 V dc,但输入PWM波形逻辑可以接受TTL或CMOS电平。此外,单个PWM输入转换为高和低MOSFET驱动信号,而芯片自动插入自适应死区时间。这意味着PWM频率可以动态变化,并且自动插入死区时间以保护MOSFET免受电流击穿,而无需更改PWM定时器代码或寄存器。

  ADA4571集成各向异性磁阻(AMR)传感器能够测量180旋转到0.5以内。该传感器采用2.7 V至5 V单电源供电,仅消耗7 mA电流,并启用温度补偿。该传感器的输出是以2.5 V(5 V电源)为中心的两个模拟正弦波(V SIN ,V COS )。一旦V SIN 和V COS 的电压被数字化,它们就可以通过简单的公式转换为一个角度:

  为了测量360的绝对旋转,ADA4571可以与线性输出磁场(霍尔效应)传感器(如AD22151)组合使用。 AD22151设计用于单5V工作电源,输出与垂直于封装的磁场成线性比例的电压。在正常操作期间,器件最大可吸收10 mA电流,并可检测具有不同增益量的双极或单极磁场。该传感器的优点是模拟输出电压,可以轻松添加到已经测量模拟量的系统,如电流传感器输出或附加的模拟角度传感器。通过将AD22151垂直于ADA4571放置,输出可以通过软件融合在一起,以便感应轴安装的直径磁铁的360运动。

  与角度传感器一起,感应FOC需要精确通过BLDC测量相电流。 AD8418是一款双向零漂移电流检测放大器,非常适合该任务。该外部并联放大器在整个温度范围内工作时的增益为20 V / V,共模抑制范围为-2 V至+ 70 V.该放大器还可以检测通过分流器的双向电流,这在测量相电流时特别有用。 BLDCs。该器件设计用于2.7 V和5 V之间的电源电压V S ,模拟输出电压以V S / 2为中心。如果选择电源为5 V,则输出以2.5 V为中心,与ADA4571一样。

  对于模拟输出传感器,结果必须转换为数字域。虽然存在多个ADC,但由于8个同时采样通道,LTC2345特别适用于电机控制。采样与转换线上的单个上升沿同步。然后,相电流和绝对角度传感器输出可以在中心对齐PWM期间同步到同一时刻。单5 V电源工作简化了电源设计,同时仍然消耗不到20 mA的电流。独立的数字逻辑输出电压允许LTC2345与较低电压的微控制器,处理器或FPGA接口。由于模拟输入范围的灵活性,位置和电流传感器的2.5 V偏移可以通过使用(IN-)模拟输入通道在硬件中自动删除。可以使用SDO输出以不同的时钟速率从LTC2345输出数据,具体取决于所需的采样吞吐量。

  随着控制驱动系统中BLDC的普及,需要更先进的算法,传感器和驱动电路。正弦和FOC是两种换向策略,可以精确控制BLDC。两种策略都需要精确测量BLDC的转子角度,如果没有合适的元件,这可能很难。但是,ADA4571和AD22151简化了这种测量。 LT1158通过减少PWM线并消除死区时间的计算,简化了BLDC三相的PWM驱动线简化了绕组电流,LTC2345可轻松实现多个模拟传感器输出的数字化和同步。这些部件仅代表ADI公司电机控制应用产品组合的一小部分。

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  信息描述 UCC3810-DIE 是一款高速 BiCMOS 控制器,针对离线和直流至直流 (dc-to-dc) 电源中的应用,此控制器集成了两个已同步脉宽调制器。 通过使用同样的振荡器,UCC3810-DIE 在两个 PWM 间提供出色的同步。 如果需要的话,振荡器的锯齿状波形可被用于斜率补偿。通过使用一个翻转触发器在两个调制器之间进行轮换,UCC3810-DIE 确保了其中一个 PWM 不会受到另外一个 PWM 的控制,干扰另外一个 PWM,或者以其他方式影响另一个 PWM。 这个翻转触发器也确保了每个 PWM 被限制为最大占空比的 50%,从而为复位磁性元件保证了足够的断开时间。特性 单个振荡器将两个 PWM 同步 启动电源电流 运行电源电流 内部软启动 全周期故障重启动电流感测信号的内部前沿消隐 从电流感测至输出,典型值为 75ns 的响应 1.5% 耐受电压基准...

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  电流模式操作至500 kHz输出开关频率 输出死区时间可在50%至70%之间调整 自动前馈补偿 锁存用于逐周期电流限制的PWM 带欠压锁定的内部微调参考 高电流图腾柱输出 带滞后的欠压锁定 低启动和工作电流 无铅封装可用...

  UC1843A-DIE 电流模式 PWM 控制器,UC1843A-DIE

  信息描述UC1843A-DIE 是一个用于 UC1843-DIE 的引脚兼容改进版本的引脚。 提供控制电流模式开关模式电源的必要特性。特性 抗辐射:30kRad (Si) 电离总剂量效应 (TID)抗辐射性是基于初始器件鉴定剂量率等于每秒 10mrad 时的典型值。 提供辐射批次验收测试 - 详细信息请联系厂家。针对离线和直流至直流 (DC-DC) 转换器进行了优化 低启动电流 修整的振荡器放电电流 自动前馈补偿 逐脉冲电流限制 增强型负载响应特性 带有滞后功能的欠压闭锁 双脉冲抑制 高电流推挽式输出 内部修整的带隙基准 低 RO误差放大器...

  信息描述 UC1843-DIE 使用最少的外部部件数量为离线或直流至直流定频电流模式控制系统配置的执行提供必要的特性。 内部执行的电路包括欠压闭锁特性启动电流,确保锁存运行的逻辑电路,一个提供电流限制控制的 PWM 比较器,还有一个被设计用来灌入或吸收高峰值电流的推挽式输出级。 当处于关闭状态时,适合驱动 N-通道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的输出级为低电平。特性 针对离线和直流至直流 (DC-DC) 转换器进行了优化 低启动电流 自动前馈补偿 逐脉冲电流限制 增强型负载响应特性 带有滞后功能的欠压闭锁 双脉冲抑制 高电流推挽式输出 低 RO误差放大器...

  信息描述 UC1846 控制集成电路 (IC) 在保持最小外部部件数量的同时提供执行定频、电流模式控制机制所需的全部特性。 这个技术的出色性能可在改进的线路稳压、增强型负载响应特性,和一个更简单、易于设计的控制环路中测得。 拓扑优势在保持电流均流的基础上包含固有逐脉冲电流限制功能、针对推挽转换器的自动对称校正和电源模块的并行功能。除了软启动功能外,保护电路还包括内置欠压闭锁和可编程电流限制。 还提供关断功能,此功能启动一个具有自动重启的完全关断或者将电源锁存。其它特性包括完全锁存运行,双脉冲抑制和期限调节功能。在关闭状态下,UC1846 特有低输出。特性 自动前馈补偿 可编程逐脉冲电流限制 推挽配置中的自动对称校正 增强型负载响应特性 针对模块化电源系统的并行运行功能 具有宽共模范围的差分电流感测放大器 双脉冲抑制 欠压闭锁 软启动功能 关断端子...

  信息描述 UC1825A-DIE PWM 控制器是标准 UC1825 系列的改良版本。 已经对几个电路块进行了性能提升。 误差放大器增益带宽为12MHz,而输入偏移电压为 2mV。 电流限制阀值经验证为耐受的 5%。 为实现精准死区时间控制,振荡器放电电流额定值为 10mA。 频率精度被提升至 6%。 典型值为 100μA 的启动电源电流非常适合于脱机应用。 在不对启动电流技术规格产生影响的情况下,重新设计了输出驱动器,以便在 UVLO 期间主动灌电流。 此外,每个输出在转换期间能够输出 2A 的峰值电流。特性 抗辐射:30kRad (Si) 电离总剂量效应 (TID)抗辐射性是基于初始器件鉴定剂量率等于每秒 10mrad 时的典型值。 提供辐射批次验收测试 - 详细信息请联系厂家。与电压模式或电流模式控制方法兼容 在开关频率下实际运行 至输出的 50ns 传播延迟 高电流双推拉式输出修整的振荡器放电电流 低 100μA 启动电流 逐周期电流限制比较器 具有全周期重启动功能的锁存过流比较器...

  信息描述 UC1825-DIE PWM 控制器件针对高频开关模式电源应用进行了优化。 对在大大增加误差放大器的带宽和转换率的同时,大大减小通过比较器和逻辑电路的传播延迟给与了特别关注。 这个控制器设计用于电流模式或电压模式系统,此系统具有输出电压前馈功能。保护电路包括一个阀值电压为 1V 的电流限制比较器、一个 TTL 兼容关断端口和一个软启动引脚,此引脚可对折为一个最大占空比钳位。 此逻辑被完全锁存以提供无抖动运行,并且抑制了输出上的多脉冲。 一个具有 800mV 滞后的欠压闭锁部分可确保低启动电流。 欠压闭锁期间,输出为高阻抗。这个器件特有推挽式输出,此输出被设计用来拉、灌来自电容负载(诸如一个功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的栅极)的高峰值电流。 接通状态被设计为高电平。特性 抗辐射:30kRad (Si) 电离总剂量效应 (TID)抗辐射性是基于初始器件鉴定剂量率等于每秒 10mrad 时的典型值。 提供辐射批次验收测试 - 详细信息请联系厂家。与电压或电流模式拓扑结构兼容 实际运行开关频率 到输出的 50ns 传播延迟 高电流双推挽式输出 宽带宽误差放大器 支持双脉冲抑制的全锁存逻辑 逐脉冲电流限制 软启动/最大占空比...

  TLC59582 48 通道、16 位 ES-PWM LED 驱动器,具有预充电 FET、LOD Caterpillar 和

  信息描述The TLC59581/82are 48-channel constant-current sink drivers. Each channel has an individually-adjustable, 65536-step, pulse width modulation (PWM) grayscale (GS) brightness control.The TLC59581 can support 32-multiplexing while TLC59582 can support 16-multiplexing.The output channels are divided into three groups. Each group has a 512-step color brightness control (CC). CC adjusts brightness control between colors. The maximum current value of all 48 channels can be set by 8-step global brightness control (BC). BC adjusts brightness deviation between LED drivers. GS, CC and BC data are accessible through a serial interface port.See application note Build High Density, High Refresh Rate, Multiplexing LED Panel with TLC59581, SLVA744. The TLC59581/82 device has one error flag: the LED open detection (LOD), which can be read through a serial interface port. To resolve this caterpillar issue caused by an open L...

  TLC5958 具有 48k 位存储器的 48 通道、16 位 PWM LED 驱动器

  信息描述TLC5958 是一款 48 通道恒流灌电流驱动器,适用于占空比为 1 至 32 的多路复用系统。 每个通道都具有单独可调的 65536 步长脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS)。采用 48K 位显示存储器以提升视觉刷新率,同时降低 GS 数据写入频率。输出通道分为三组,每组含 16 个通道。 各组都具有 512 步长颜色亮度控制 (CC) 功能。 全部 48 通道的最大电流值可通过 8 步长全局亮度控制 (BC) 功能设置。 CC 和 BC 可用于调节 LED 驱动器之间的亮度偏差。 可通过一个串行接口端口访问 GS、CC 和 BC 数据。如需应用手册:,请通过电子邮件发送请求。TLC5958 有一个错误标志:LED 开路检测 (LOD),可通过串行接口端口读取。 TLC5958 还具有节电模式,可在全部输出关闭后将总流耗设为 0.8mA(典型值)。特性 48 通道恒流灌电流输出具有最大亮度控制 (BC)/最大颜色亮度控制 (CC) 数据的灌电流: 5VCC 时为 25mA 3.3VCC 时为 20mA 全局亮度控制 (BC):3 位(8 步长) 每个颜色组的颜色亮度控制 (CC):9 位(512 步长),三组使用多路复用增强型光谱 (ES) PWM 进行灰度 (GS) 控制:16 位 支持 32 路多路复用的 48K 位灰度数据...

  TLC59581 48 通道、16 位 ES-PWM LED 驱动器,具有预充电 FET、LOD Caterpillar 和

  信息描述 TLC59581 是一款 48 通道恒定灌电流驱动器。每个通道都具有单独可调的 65536 步长脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS) 亮度控制。输出通道分为三组。各组都具有 512 步长颜色亮度控制 (CC) 功能。CC 可调节颜色之间的亮度。全部 48 通道的最大电流值可通过 8 步长全局亮度控制 (BC) 功能设置。BC 调节 LED 驱动器之间的亮度偏差。可通过一个串行接口端口访问 GS、CC 和 BC 数据。TLC59581 具有一个错误标志:LED 开路检测 (LOD)。该标志可通过串行接口端口读取。为解决开路 LED 引发的此类 caterpillar 问题,TLC59581 器件具有一个增强型电路。该电路可提供 caterpillar 效应消除、热关断 (TSD) 和 IREF 电阻短路保护 (ISP) 功能,以确保较高的系统稳定性。TLC59581 器件还具有节电模式,可在输出全部关闭后将总流耗降为 0.8mA(典型值)。TLC59581 器件是一款提升多路复用面板低灰度显示模式性能的良好解决方案。请参见应用笔记,SLVA744。特性 48 个恒定灌电流输出通道 具有最大亮度控制 (BC)/最大颜色亮度控制 (CC) 数据的灌电流:5 VCC 时为 25mA 3.3 VCC 时为 20mA 全局亮度控制 (BC):...

  TLC5951-DIE 具有 7 位点校正和 3 组 8 位全局亮度控制功能的 24 通道、12 位 PWM LED 驱动器

  信息描述 TLC5951是一款 24 通道,恒定灌电流驱动器。 每个通道具有一个独立可调节,4096 步长,脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS) 亮度控制和 128 步长的恒定电流点校正 (DC)。 此点校正调节通道和其它 LED 驱动器之间的亮度偏差。 输出通道是被分成三组的 8 个通道。 每个通道组有一个 256 步长全局亮度控制 (BC) 功能和一个独立的灰度时钟输出。可通过一个串行接口访问 GS,DC 和 BC 数据。 通过一个专用串行端口可对 DC 和 BC 进行编程。TLC5951 有三个针对 LED 开路检测 (LOD),LED 短路检测 (LSD) 和热错误标志 (TEF) 的错误检测电路。 LOD 检测损坏或者断开的 LED,而 LSD 检测一个短接的 LED。 TEF 表示一个过热条件。特性 24 通道恒定灌电流输出 电流功能 使用 PWM 的可选灰度 (GS) 控制:12 位(4096 步长),10 位(1024 步长),8 位(256 步长)针对三色组的三个独立灰度时钟 点校正 (DC):7 位(128 步长) 针对每个颜色组的全局亮度控制 (BC):8 位(256 步长) 自动重复显示功能 针对 GS,BC 和 DC 数据的独立数据端口 每个数据端口间的通信路径 LED 电源电压 VCC=3.0V 至 5.5V...

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