步進(jìn)電機(jī)和永磁同步電機(jī)越來越多地服務(wù)于需要高效率和出色性能的控制應(yīng)用。當(dāng)前的電機(jī)控制技術(shù)包括使用微電子技術(shù)來改進(jìn)對速度、位置和扭矩的控制，以及更高的效率。

步進(jìn)電機(jī)是能夠?qū)㈦娒}沖轉(zhuǎn)換為離散機(jī)械步進(jìn)的機(jī)電設(shè)備。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾娒}沖序列（隨時間在強(qiáng)度和方向上都受到控制）施加到電機(jī)上時，曲軸會以離散的步數(shù)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)是需要精確控制運動范圍的應(yīng)用的理想解決方案。它們可以控制旋轉(zhuǎn)角度、速度、位置和同步。步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點是它們不需要反饋機(jī)制；無需使用編碼器即可精確確定位移量。

永磁同步電機(jī) (PMSM) 允許非?？焖俸途_的扭矩和速度控制，即使在運行瞬態(tài)期間也能確保最佳效率。它們的卓越性能是由于它們在整個速度范圍內(nèi)非常有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)、零速時的全扭矩控制以及高加速度和減速度值。PMSM 的應(yīng)用眾多，包括電器（洗衣機(jī)、洗碗機(jī)泵、冰箱和空調(diào)）、醫(yī)療設(shè)備（CPAP 和 VPAP 機(jī)器、泵、輪椅）、電動汽車、自動售貨機(jī)、自動取款機(jī)、工業(yè)執(zhí)行器、風(fēng)扇、泵, 和鼓風(fēng)機(jī)。

單極和雙極步進(jìn)電機(jī)

單極步進(jìn)電機(jī)由兩個相同的線圈組成，兩個線圈都帶有未電氣連接的中間抽頭。通過為雙線線圈對的一端供電，使流動反向，中間抽頭用作公共極。單極步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢在于每相使用帶有中間抽頭的繞組。繞組的每一側(cè)都針對磁通量的每個方向被激活。開關(guān)電路非常簡單，因為該器件具有可以在不改變電流方向的情況下反轉(zhuǎn)的磁極。然而，由于每個線圈只有一半被磁化，因此單極步進(jìn)電機(jī)的磁力減小，因此可用扭矩值受到限制。

雙極步進(jìn)電機(jī)類似于單極步進(jìn)電機(jī)，但它們的線圈沒有中間抽頭。雙極電機(jī)的驅(qū)動稍微復(fù)雜一些，通常基于能夠反轉(zhuǎn)繞組極性并因此反轉(zhuǎn)磁通量的 H 橋。由于雙極電機(jī)每個繞組僅使用一個較大的線圈，因此繞組電阻較低，可以獲得較高的扭矩值。

由于驅(qū)動電路的簡單性，單極步進(jìn)電機(jī)仍然在多種應(yīng)用中使用，只需要幾個分立元件。然而，隨著在減小電子元件的尺寸和成本方面取得的進(jìn)展，最近的步進(jìn)應(yīng)用傾向于使用雙極步進(jìn)電機(jī)。

驅(qū)動雙極步進(jìn)

電機(jī) 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的兩種最常見模式是全步和半步。在全步模式下，兩相始終同時激活，電機(jī)始終提供額定扭矩。這種控制模式只需要四個方波信號，可由微控制器 PWM 模塊產(chǎn)生。占空比保持固定，持續(xù)時間等于一個步驟。根據(jù)初始階段，軸將順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。

半步模式稍微復(fù)雜一些。在這種情況下，根據(jù)特定時間僅激活一相或兩相，并且電機(jī)在每個時鐘脈沖處前進(jìn)半步。這種模式可以獲得更高的位置值分辨率并消除不穩(wěn)定性。然而，由于扭矩不會隨時間保持恒定，因此半步解決方案會產(chǎn)生共振和振動現(xiàn)象。

驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的另一種方式是波驅(qū)動模式，其中在任何給定時刻只有一個相位處于活動狀態(tài)。設(shè)計人員很少選擇這種模式，因為它效率低，并且相對于其他方法產(chǎn)生的扭矩值較低。

最后，還有第四種模式，微步進(jìn)，它可以提供非常高分辨率的值，并通過恒流調(diào)節(jié)防止扭矩振蕩。微步進(jìn)驅(qū)動器通過遵循正弦曲線曲線來增加或減少驅(qū)動電流，因此在任何時候都不會完全關(guān)閉或打開極點。

所有的驅(qū)動模式都可以使用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電路來獲取信號，但最常用的解決方案是基于專為步進(jìn)電機(jī)控制而設(shè)計的集成電路。

圖 1：L9942 框圖（圖片：意法半導(dǎo)體）

當(dāng)今市場上有多種 IC 可以驅(qū)動雙極步進(jìn)電機(jī)并實現(xiàn)微步進(jìn)等高級功能。例如，STMicroelectronics 的 L9942 是一款用于雙極步進(jìn)電機(jī)的集成驅(qū)動器，具有微步進(jìn)和可編程電流曲線查找表 (LUT)。該器件包括兩個全橋，最大負(fù)載為 1.3 A（R _DS(on) = 500 mΩ），并且可以編程為全、半或微步進(jìn)模式操作（圖 1）。該器件可以通過 SPI 接口和一些離散邏輯信號輕松地與微控制器連接。L9942 包含邏輯塊，旨在檢測由過度機(jī)械負(fù)載引起的電機(jī)失速，在這種情況下，負(fù)載電流的上升速度比正常操作期間快得多。

圖 2：DRV8436/DRV8437 框圖（圖片：德州儀器）

Texas Instruments 的 DRV8436 和 DRV8437 具有兩個 N 通道功率 MOSFET H 橋驅(qū)動器、一個微步分度器和集成電流感應(yīng)（圖 2）。DRV8436/37 可以分別驅(qū)動高達(dá) 1.1 A 和 0.8 A 的輸出。該驅(qū)動器的內(nèi)部電流檢測架構(gòu)無需兩個外部功率檢測電阻器，從而節(jié)省了 PCB 面積和系統(tǒng)成本。智能調(diào)諧衰減技術(shù)可自動調(diào)整以獲得最佳電流調(diào)節(jié)性能，并補(bǔ)償電機(jī)變化和老化效應(yīng)。一個簡單的 STEP/DIR 接口允許外部控制器管理步進(jìn)電機(jī)的方向和步進(jìn)速率。為電源欠壓、電荷泵故障、過流、短路、開路負(fù)載和過熱提供保護(hù)功能。

PMSM 控制技術(shù)

為了實現(xiàn)高效率，稱為磁場定向控制 (FOC) 的特殊矢量算法應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的控制。該算法將定子電流分解為用于產(chǎn)生磁場的部分和用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的部分。這種方法的優(yōu)點是，在分解之后，兩個組件都可以單獨控制。

在 PMSM 中，扭矩由兩個磁場共同作用產(chǎn)生：一個用于定子，另一個用于轉(zhuǎn)子。磁通量決定了作用在定子上的磁場，因此由施加到定子的電流產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子上的磁場由永磁體產(chǎn)生的磁通量表示，因此可以認(rèn)為是恒定的。當(dāng)兩個磁場相互垂直時，由這兩個磁場（對扭矩負(fù)責(zé)）的聯(lián)合作用產(chǎn)生的力最大。因此，目標(biāo)是適當(dāng)控制定子電流，使其產(chǎn)生垂直于轉(zhuǎn)子磁體的矢量。

在電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)期間，施加在定子上的電流必須不斷更新，以使與定子磁通相關(guān)的矢量與與轉(zhuǎn)子磁體流動相關(guān)的矢量之間的角度始終等于 90°。該問題的經(jīng)典解決方案使用基于微控制器的算法，該算法連續(xù)調(diào)整定子電流的相位和幅度。

相位控制需要了解轉(zhuǎn)子位置，通常通過絕對位置傳感器（旋轉(zhuǎn)變壓器）或相對位置傳感器（編碼器）獲得。在某些應(yīng)用中，基于霍爾效應(yīng)的磁性位置傳感器被用作替代方案。幅度控制是使用比例積分 (PI) 控制器實現(xiàn)的，該控制器作用于相電流、位置和電機(jī)速度等變量。

無傳感器 PMSM 控制
高效的 PMSM 控制需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，但在某些應(yīng)用中，使用外部傳感器可能會對整個系統(tǒng)的可靠性和效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在這種情況下，使用間接或估計的位置檢測技術(shù)代替機(jī)械傳感器（提供曲軸位置的直接測量）。用于估計轉(zhuǎn)子位置的方法因使用的電機(jī)類型而異。對于低轉(zhuǎn)速，頻率注入和開環(huán)啟動等機(jī)制很常見。對于中速和高速，反電動勢 (BEMF) 觀測器技術(shù)通常用于檢測電機(jī)繞組中感應(yīng)的 BEMF 的過零點。

PMSM 控制解決方案
STMicroelectronics 提供全系列組件和評估板，以優(yōu)化無刷直流 PMSM 電機(jī)控制系統(tǒng)。這些器件具有高效率、低噪音和延長壽命的特點，據(jù)說能夠以低成本快速上市。例如，EVAL6393FB 參考設(shè)計演示了如何使用兩個 L6393 驅(qū)動器通過全橋拓?fù)潋?qū)動單相負(fù)載（圖 3）。該板具有優(yōu)化的布局，可以通過施加總線電壓和方向信號來運行。該驅(qū)動器可提供 150 W（3.0 Arms 時為 50 V）的輸出功率，占用空間更小，并通過外部邏輯信號實現(xiàn)具有過流保護(hù)的 PWM 電壓模式控制。

圖 3：EVAL6393FB 低壓全橋參考設(shè)計板
（圖片：意法半導(dǎo)體）

英飛凌科技的 XMC1000 電機(jī)控制應(yīng)用套件提供了一個完整的硬件和軟件平臺，用于評估和開發(fā)基于英飛凌 XMC1300 系列微控制器的 PMSM FOC 無傳感器系統(tǒng)。該套件適用于風(fēng)扇、泵和電動自行車等目標(biāo)終端應(yīng)用，包括一個帶有可拆卸 SEGGER J-Link 調(diào)試接口的 XMC1300 MCU 板和一個 PMSM 低壓、15W 電機(jī)卡。

審核編輯：劉清