作為工業(yè)控制領(lǐng)先芯片方案廠商，德州儀器為 AC 感應(yīng)電機 （ACIM）、刷式直流電機、無刷直流電機 （BLDC）、永久磁性同步電機和步進電機等各類電機，尋找合適的模擬和數(shù)字產(chǎn)品、軟件和支持，以精確控制位置、速度和扭矩等關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)最佳解決方案。想了解關(guān)于電機驅(qū)動方面的最新算法和最理想的方案嗎？想為您的電機驅(qū)動找到更合適的方案以適應(yīng)工業(yè)自動化系統(tǒng)的新挑戰(zhàn)嗎？趕快報名參與電子發(fā)燒友網(wǎng)舉辦的賽靈思研討會——取代傳統(tǒng)MCU方案:用All Programmable技術(shù)提升工業(yè)自動化系統(tǒng)的效率和性能，內(nèi)容精彩，絕對不容錯過！

　　TI 是全球市場領(lǐng)導者，其利用先進的電機控制專業(yè)技術(shù)方面的豐富經(jīng)驗，并結(jié)合模擬和嵌入式處理產(chǎn)品系列，可提供完整的電機系統(tǒng)解決方案。選擇 TI，因為我們具有豐富的電機專業(yè)技術(shù)、廣泛的選擇范圍，以及全面的支持，可為您提供高效、可靠和經(jīng)濟的驅(qū)動和控制解決方案。

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　　TI 提供了廣泛系列的模擬產(chǎn)品、數(shù)字控制器和軟件，可精確控制機械驅(qū)動裝置的位置、速度和扭矩。電機控制和驅(qū)動解決方案適用于小型驅(qū)動，包括螺線管、DC 或無刷 DC 及步進；也適用于大型驅(qū)動，如利用較高電壓（通常數(shù)百伏）的 AC 開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。按電機類型查看解決方案。

　　DRV8x 集成電機驅(qū)動器系列 使客戶能夠快速輕松地旋轉(zhuǎn)電機，從而加快了上市時間并顯著簡化了設(shè)計。通過集成閘極驅(qū)動電路、感應(yīng)放大器、保護、FETS、行業(yè)標準控制界面和驅(qū)動算法等，設(shè)計的復雜程度、電路板面積和旋轉(zhuǎn)電機的時間都顯著減少。借助過流保護、熱保護、擊穿保護和欠壓保護等片上保護，DRV8x 系列很強大、可靠且受到全面保護。

　　除了提供適用于各種電機控制應(yīng)用的高性能模擬和混合信號器件，TI 還提供高性能、超低功耗微處理器以應(yīng)對每個設(shè)計挑戰(zhàn)。TI C2000? 微控制器系列結(jié)合了高性能和實時控制，可提供針對電機控制的強大單芯片解決方案。MSP430F54xx 系列具有功能強大的 16 位 RISC CPU、16 位寄存器以及豐富的內(nèi)置精密模擬外設(shè)集，旨在實現(xiàn)最高的代碼效率。最后，TI Stellaris 系列的 ARM? Cortex?-M3 微處理器具有確定性性能和專為同步高級運動控制和實時連接設(shè)計的目標功能，包括高速運動控制 PWM、QEI、快速 ADC 和多個定時器，以及超快處理器速度、大量內(nèi)存選項和多種通信接口。

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　　電機驅(qū)動和控制解決方案信號鏈

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　　電機驅(qū)動和控制解決方案產(chǎn)品

　　特色電機控制工具和軟件

　　接下來會分別介紹德州儀器：AC 感應(yīng)電機，刷式直流電機，無刷直流 （BLDC） ，永久磁性同步電機 （PMSM） ，步進電機簡介及相關(guān)方案。

　　一、電機控制 - AC 感應(yīng)電機 （ACIM） 概述

　　AC 感應(yīng)電機 （ACIM） 是消費電子類應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用中最受歡迎的電機，代表了工業(yè)革命的力量。十九世紀末，Nicola Tesla 首次構(gòu)想出“無火花”電機的概念，即由兩個靜態(tài)相位以正交關(guān)系構(gòu)成的多相結(jié)構(gòu)。自此以來，又改為更為常用的 3 相結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電機電壓和電流的平衡操作。

　　該電機沒有刷式直流電機那樣的刷子/換向器結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生火花相關(guān)的問題，如電噪聲、刷子磨損、摩擦高和可靠性差等。轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)中磁性的消失進一步增強了可靠性，也降低了制造成本。在高功率應(yīng)用中（如 500 HP 和更高應(yīng)用），AC 感應(yīng)電機是現(xiàn)有最高效的電機，可以達到 97% 或更高的效率額定值。但在輕載條件下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通所需的正交磁流占定子電流的很大部分，導致效率降低、功率因數(shù)操作較差。

　　ACIM 使用正弦電壓和電流驅(qū)動時表現(xiàn)最佳。ACIM 的優(yōu)點之一是能通過低扭矩紋波實現(xiàn)難以置信的順暢操作。為了實現(xiàn)此目的，多數(shù) ACIM 包含開槽定子結(jié)構(gòu)，其中繞線按正弦繞線分布置于槽中，從而在氣隙中呈現(xiàn)正弦磁通分布。此磁通也連接轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組的兩端短接銅棒或鋁棒，并安裝在軟鐵或其它鐵基材料組成的堆棧式層壓結(jié)構(gòu)上。在大多數(shù)情況下，降低轉(zhuǎn)子棒的電阻可以提高電機效率。隨著這些導體中的磁通減少，轉(zhuǎn)子棒中將施加 d-flux/dt 電壓，從而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電流。換言之，電流從定子電路感應(yīng)到轉(zhuǎn)子電路，與從標準變壓器的初級線圈感應(yīng)二次電流差不多。此轉(zhuǎn)子電流會產(chǎn)生自己的磁通，并與定子 mmF 交互產(chǎn)生扭矩。但是，為了在轉(zhuǎn)子棒上實現(xiàn) d-flux/dt 效應(yīng)，轉(zhuǎn)子不能以定子磁場相同的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。因此，感應(yīng)電機歸類為異步電機。定子磁通矢量與轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)速差異稱為轉(zhuǎn)差。隨著電機軸所需扭矩增加，轉(zhuǎn)差率也會增加。總之，電機速度是定子極數(shù)、電機扭矩（最終為電機轉(zhuǎn)差）和 AC 輸入電壓頻率的函數(shù)關(guān)系。

　　3 相拓撲是變速應(yīng)用的理想選擇。3 相轉(zhuǎn)換器的常用方法如圖所示，只需改變所應(yīng)用波形的電壓和頻率（開環(huán) V/Hz 或標量控制），即可控制電機速度。在扭矩環(huán)路周圍回繞速度環(huán)路來采用場定向控制 （FOC），也可控制速度。前者可以通過經(jīng)濟的器件（如 MSP430）輕松實現(xiàn)，但 FOC 更適合強大的 32 位處理器（如 TI C2000 處理器）。

　　AC 感應(yīng)電機也有單相版本。多數(shù)單相版本實際上具有雙相，其中一個相位用于幫助啟動電機。一旦電機達到一定速度，該相位斷開，這樣電機就只在一個相位上運行。

　　AC 感應(yīng)電機 （ACIM） 系統(tǒng)的方框圖 （SBD），它具有微處理器、閘極驅(qū)動器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。

AC 感應(yīng)電機

　　設(shè)計注意事項

　　AC 感應(yīng)電機概述

　　AC 感應(yīng)電機 （ACIM） 是消費電子類應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用中最受歡迎的電機。此電機高度可靠，設(shè)計簡單，其沒有刷子，因此不存在磨損，并且制造成本極低。另一重要特性是轉(zhuǎn)子不會產(chǎn)生任何移動接觸，因此不會產(chǎn)生火花。但是，ACIM 與其它電機類型相比，效率較低。

　　ACIM 速度取決于 AC 輸入電壓的頻率和定子繞線中的極數(shù)。AC 感應(yīng)電機提供單相和三相版本；三相是變速應(yīng)用的理想選擇。

　　微處理器

　　TI 的 Stellaris? C2000? 以及 Hercules? 微處理器 （MCU） 系列非常適合于控制 AC 感應(yīng)電機。所有這些 MCU 系列均可用于實施標量或矢量控制技術(shù)。

　　C2000 MCU 適用于實時操作并具有高分辨率脈寬調(diào)制器 （PWM），可對閘極驅(qū)動器進行精確控制。雙采樣保持、12 位、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 可對任何傳感器輸入進行高精度采樣。

　　高性能 PWM 和 ADC 相結(jié)合可確保低扭矩紋波和高效電機控制。功能強大的 C2000 MCU 內(nèi)核架構(gòu)可快速執(zhí)行數(shù)學算法，并通過矢量控制控制電機。

　　Stellaris MCU 基于廣泛使用的 ARM Cortex M3 內(nèi)核并具有所有與電機控制相關(guān)的集成板載外設(shè)。Stellaris MCU 具有 10 位 ADC 和電機控制特定的 PWM，可為電機提供高效控制。板載通信外設(shè)（例如 USB 和以太網(wǎng)）啟用 MCU 用作聯(lián)網(wǎng)控制器，也可執(zhí)行電機控制。

　　Hercules 安全 MCU 是基于廣泛使用的 ARM Cortex R4 內(nèi)核，設(shè)計為簡化開發(fā)和認證的安全關(guān)鍵型系統(tǒng)。Hercules MCU 具有多達 2 個 12 位 ADC。靈活的 HET 協(xié)處理器具有特定于電機控制的 PWM，可為電機提供高效控制。板載通信外設(shè)（例如，啟用 MCU 用作可同時執(zhí)行安全電機控制的安全聯(lián)網(wǎng)控制器的 USB、以太網(wǎng)和 CAN）。

　　隔離

　　TI 數(shù)字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器，這些緩沖器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔離勢壘進行隔離，可提供 4kV 隔離。當與隔離電源配合使用時，這些器件可阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進入本地接地并干擾或損害敏感電路。

　　接口/連接

　　傳統(tǒng)模擬 RS-232/RS-485 接口一直是電機控制應(yīng)用的常見選擇。展望未來，設(shè)計人員將在其產(chǎn)品中集成主流接口，如以太網(wǎng)、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同時為傳統(tǒng)和新興工業(yè)接口提供解決方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔離式 CAN 收發(fā)器 ISO1050。

　　電源管理

　　德州儀器 （TI） 提供從標準 IC 到高性能插件、變壓器、數(shù)字電源 MOSFET 和集成電源模塊的電源管理 IC 解決方案。

　　從 AC/DC 和 DC/DC 電源、線性穩(wěn)壓器和非隔離式開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器到 PMIC 和電源及顯示解決方案，德州儀器 （TI） 的電源管理 IC 解決方案都能幫助您完成項目開發(fā)。
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　　二、電機控制 - 刷式直流電機概述

　　刷式直流電機是現(xiàn)有歷史最久的電機拓撲之一。它們將固定刷子安裝在定子機座上，摩擦轉(zhuǎn)子上的換向片，而后者又連接至旋轉(zhuǎn)的線圈段。隨著電機旋轉(zhuǎn)，不同轉(zhuǎn)子線圈不斷連接和斷開，這樣轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的凈磁場相對于定子機座就是固定的，且通過定子磁場正確定向，從而產(chǎn)生扭矩。當換向片旋轉(zhuǎn)過刷子時，這些特定轉(zhuǎn)子線圈段的電觸頭將會斷開。由于轉(zhuǎn)子線圈是電感的，而電感器生成高回掃電壓來抵抗電流變化，因此刷子和斷開的換向片之間會產(chǎn)生火花。這些火花會導致很多負面結(jié)果，如電噪聲、效率降低，以及某些情況下的危險操作。此外，刷子必須安裝彈簧來抵抗換向片，以確保電接觸良好。這進一步降低了效率，需要定期維護更換刷子。

　　盡管有諸多劣勢，但刷式直流電機有一顯著優(yōu)勢：成本。由于控制刷式直流電機相對簡單，因此還廣泛用于系統(tǒng)成本是主要驅(qū)動因素的應(yīng)用中。在使用永久磁性生成定子磁通的拓撲中，產(chǎn)生的速度/扭矩曲線非常有線性特征。因此，刷式直流電機歷來常用于工業(yè)伺服應(yīng)用，速度和扭矩分別與所應(yīng)用的電壓和電流成正比。但是，半導體器件的跌價使得電源轉(zhuǎn)換和控制的成本降低。因此，許多直流電機被交流電機所取代，后者帶來了效率和可靠性提高等優(yōu)勢。

　　刷式直流電機的主題多種多樣，如直流并聯(lián)電機和通用電機，兩者都使用定子線圈代替永久磁性。在直流并聯(lián)電機中，定子線圈與轉(zhuǎn)子電路并聯(lián)；而在通用電機中，定子線圈與轉(zhuǎn)子串聯(lián)。通用電機在家電應(yīng)用中尤其常用，因為它具有高啟動扭矩，可以高速運行。只需添加串聯(lián)晶閘管并進行交流相位控制，便可輕松對通用電機進行速度控制。但是，刷子/換向器結(jié)構(gòu)常見于這些電機類型，因此它們具有標準 PM 刷式直流電機相同的劣勢。

　　方框圖

　　刷式直流電機系統(tǒng)的方框圖 （SBD），它具有微處理器、閘極驅(qū)動器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。

　　刷式直流電機

　　設(shè)計注意事項

　　刷式直流電機概述

　　刷式直流電機使用刷子進行換向。電樞或轉(zhuǎn)子具有繞線，可端接至換向器。刷子通過形成或斷開接觸為電樞提供電源。

　　定子可能具有兩個或更多永久磁性；相反的定子磁性極性和激磁繞線異極相吸，導致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子與定子位置對齊時，刷子將跨越換向器并驅(qū)動下一個繞線。

　　刷式直流電機需要維護并具有線性扭矩/電流曲線。這些電機易于控制，其速度和扭矩與電流和電壓成正比。

　　微處理器

　　具有 4 個脈寬調(diào)制器 （PWM） 信號的任何 MCU 系列均可以用于驅(qū)動連接到刷式直流電機的 H 橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。根據(jù)控制算法的復雜性，反饋控制可能使用霍爾傳感器或編碼器。

　　鑒于其在工作模式和休眠模式中的超低功耗操作功能，TI 的 MSP430 可以成為控制低端、電池供電的刷式直流電機系統(tǒng)的理想選擇。

　　C2000? 和 Stellaris? MCU 具有 QEI 輸入，可接受編碼器輸入。Hercules? MCU 可通過靈活的 HET 協(xié)處理器接收編碼器輸入。如果需要高性能和實時操作，C2000 MCU 系列就是最佳選擇。C2000 或 Stellaris MCU 可滿足中端系統(tǒng)要求。Hercules MCU 是系統(tǒng)需要基于 IEC61508 等安全標準認證時的首選并可支持各種性能需求。

　　隔離

　　TI 數(shù)字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器，這些緩沖器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔離勢壘進行隔離，可提供 4kV 隔離。

　　當與隔離電源配合使用時，這些器件可阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進入本地接地并干擾或損害敏感電路。

　　接口/連接

　　傳統(tǒng)模擬 RS-232/RS-485 接口一直是電機控制應(yīng)用的常見選擇。展望未來，設(shè)計人員將在其產(chǎn)品中集成主流接口，如以太網(wǎng)、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同時為傳統(tǒng)和新興工業(yè)接口提供解決方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔離式 CAN 收發(fā)器 ISO1050。

　　電源管理

　　德州儀器 （TI） 提供從標準 IC 到高性能插件、變壓器、數(shù)字電源 MOSFET 和集成電源模塊的電源管理 IC 解決方案。

　　從 AC/DC 和 DC/DC 電源、線性穩(wěn)壓器和非隔離式開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器到 PMIC 和電源及顯示解決方案，德州儀器 （TI） 的電源管理 IC 解決方案都能幫助您完成項目開發(fā)。

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　　三、電機控制 - 無刷直流 （BLDC） 電機

　　無刷直流 （BLDC） 電機可以想象成與刷式直流電機截然相反，其中永久磁性在轉(zhuǎn)子上，而繞線在定子上。因此，該電機沒有刷子和換向器，消除了與刷式直流電機產(chǎn)生火花相關(guān)的劣勢。

　　該電機被稱為直流電機，是因為其線圈通過直流電源驅(qū)動，而直流電源是按預定順序的形式應(yīng)用到不同的定子線圈。這一過程稱為換向。但是，BLDC 并不恰當，因為該電機實際上屬于交流電機。在電路循環(huán)過程中，每個線圈中的電流正負交替。定子一般是凸極結(jié)構(gòu)，旨在產(chǎn)生梯形反電動勢波形，盡可能符合所應(yīng)用的換向電壓波形。但是實際上很難做到，產(chǎn)生的反電動勢波形通常更像正弦，而非梯形。因此，PMSM 電機使用的許多控制技術(shù)（如場定向控制）同樣適用于 BLDC 電機。

　　對 BLDC 電機的另一個誤解是關(guān)于其如何驅(qū)動。不同于開環(huán)步進應(yīng)用中驅(qū)動的定子線圈決定轉(zhuǎn)子位置，在 BLDC 電機中，轉(zhuǎn)子位置決定要驅(qū)動哪個定子線圈。定子磁通矢量位置必須與轉(zhuǎn)子磁通矢量位置保持同步（而非相反），以使電機操作順暢。要實現(xiàn)這一目的，需要了解轉(zhuǎn)子位置來確定要驅(qū)動的定子線圈。現(xiàn)有多種技術(shù)可實現(xiàn)這一目的，但最常用的技術(shù)是使用霍爾效應(yīng)傳感器監(jiān)控轉(zhuǎn)子位置。遺憾的是，這些傳感器及其相關(guān)連接器和線束會增加系統(tǒng)成本，并降低可靠性。

　　為減少這些問題，已有多種技術(shù)開發(fā)出來用于消除這些傳感器，進而實現(xiàn)無傳感器操作。多數(shù)技術(shù)依靠在電機旋轉(zhuǎn)時，從定子繞線的反電動勢波形中提取位置信息。但是，依靠反電動勢傳感的技術(shù)在電機旋轉(zhuǎn)緩慢或靜止時便無用武之地，因為此時反電動勢波形很弱或根本不存在。因此，我們不斷開發(fā)新技術(shù)，以在低轉(zhuǎn)速或零轉(zhuǎn)速時從其它信號中獲取轉(zhuǎn)子位置信息。

　　BLDC 電機在效率額定值方面占絕對優(yōu)勢，一般可達到 95% 左右。當前對新非晶合金材料的研究正在將這一數(shù)字推向新高。已有報道稱 100W 范圍內(nèi)效率為 96%。BLDC 電機還在爭奪“世界最快電機”之稱，部分電機速度可達到數(shù)十萬 RPM（其中一項應(yīng)用中已報道 400K RPM）。

　　最常用的 BLDC 電機拓撲使用 3 相定子結(jié)構(gòu)。因此，標準的 6 晶體管反向器是最常用的功率級，如圖所示。根據(jù)運行要求（含傳感器與 無傳感器、換向與 正弦、PWM 與 SVM 等），有很多方法可驅(qū)動晶體管來達到所需目標，不勝枚舉。這對一般位于微處理器中的 PWM 發(fā)生器的靈活性提出了極高要求。好消息是，TI 的電機控制處理器可輕松滿足這些要求。

　　方框圖

　　無刷直流電機 （BLDC） 系統(tǒng)的方框圖 （SBD），它具有微處理器、閘極驅(qū)動器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。

　　無刷直流電機 （BLDC）

　　設(shè)計注意事項

　　無刷直流 （BLDC） 電機概述

　　無刷直流電機具有定子繞線和永久磁性轉(zhuǎn)子。繞線連接到控制電子，且電機內(nèi)部沒有刷子和換向器。電子類似于換向器驅(qū)動適當?shù)睦@線；在圍繞定子旋轉(zhuǎn)的移動模式中驅(qū)動繞線。驅(qū)動的定子繞線引導轉(zhuǎn)子磁性。

　　BLDC 電機效率更高，運行更快更安靜，需要電子以控制旋轉(zhuǎn)場。BLDC 電機制造成本更低，易于維護。

　　驅(qū)動 BLDC 電機需要三相反向器。反向器包含三個半 H 橋，使用輔助信號控制其高位和低位開關(guān)。在關(guān)閉高側(cè)開關(guān)和開啟低側(cè)開關(guān)之間保有延遲是非常重要的。這將消除潛在的開關(guān)短路。

　　微處理器

　　TI 的 C2000? 系列 MCU 可以通過使用標量或矢量控制技術(shù)控制 BLDC 電機。了解轉(zhuǎn)子位置對于高效控制 BLDC 電機非常重要。通過連接至電機的霍爾傳感器或旋轉(zhuǎn)式編碼器能夠檢測到轉(zhuǎn)子的位置。這些傳感器輸入用于含傳感器的反饋控制系統(tǒng)。

　　轉(zhuǎn)子位置還可通過使用反電動勢電壓信息進行估算。此反饋控制模式無需使用傳感器和附加接線。位置或度評估器也可用于計算轉(zhuǎn)子位置。

　　C2000 MCU 上的集成高速 12 位 ADC 轉(zhuǎn)換器、高分辨率脈寬調(diào)制器 （PWM） 和正交編碼器輸入 （QEI） 使其適合于實施 BLDC 電機控制。C2000 MCU 內(nèi)核能夠在短時間內(nèi)執(zhí)行復雜的數(shù)學函數(shù)，使此 MCU 系列成為實施矢量控制技術(shù)和同時控制多個電機的理想選擇。此系列的 PWM 具有可編程死區(qū)延遲，可驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)閘極驅(qū)動器。C2000 MCU 還可通過使用梯形或正弦控制驅(qū)動 BLDC 電機。

　　Stellaris? 系列 MCU 向偏愛開放式構(gòu)架內(nèi)核的客戶提供基于 ARM 的解決方案。這些 MCU 還為傳感器的控制提供集成 ADC、電機控制特定的 PWM 和 QEI 輸入。其基于硬件的故障檢測系統(tǒng)可更快地關(guān)閉系統(tǒng)，無需軟件干預。這些 MCU 也可用于實施標量和矢量控制技術(shù)。

　　MSP430 器件基于 16 位 RISC 架構(gòu)，在工作模式和休眠模式中具有超低功耗操作功能。通過使用接受較低性能的標量技術(shù)，這些 MCU 可用于 BLDC 電機控制。集成驅(qū)動器可配置為 PWM 輸出并可通過梯形控制控制閘極驅(qū)動器。

　　Hercules? 安全 MCU 可提供基于 ARM Cortex-R4f 的解決方案并被認證為適合用于需要實現(xiàn) IEC61508 SIL-3 安全級別的系統(tǒng)中。這些 MCU 還可通過靈活的 HET 協(xié)處理器提供集成浮點、12 位 ADC、特定于電機控制的 PWM 及編碼器輸入。Hercules 安全 MCU 還可用于實施標量和矢量控制技術(shù)并支持各種性能需求。

　　隔離

　　TI 數(shù)字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器，這些緩沖器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔離勢壘進行隔離，可提供 4kV 隔離。

　　當與隔離電源配合使用時，這些器件可阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進入本地接地并干擾或損害敏感電路。

　　接口/連接

　　傳統(tǒng)模擬 RS-232/RS-485 接口一直是電機控制應(yīng)用的常見選擇。展望未來，設(shè)計人員將在其產(chǎn)品中集成主流接口，如以太網(wǎng)、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同時為傳統(tǒng)和新興工業(yè)接口提供解決方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔離式 CAN 收發(fā)器 ISO1050。

　　電源管理

　　德州儀器 （TI） 提供從標準 IC 到高性能插件、變壓器、數(shù)字電源 MOSFET 和集成電源模塊的電源管理 IC 解決方案。從 AC/DC 和 DC/DC 電源、線性穩(wěn)壓器和非隔離式開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器到 PMIC 和電源及顯示解決方案，德州儀器 （TI） 的電源管理 IC 解決方案都能幫助您完成項目開發(fā)。

　　四、電機控制 - 永久磁性同步電機 （PMSM）

　　永久磁性同步電機 （PMSM） 可以看做 AC 感應(yīng)電機和無刷直流電機 （BLDC） 的交叉產(chǎn)品。它們具有與 BLDC 電機相似的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其中包含永久磁性。但是，它們的定子結(jié)構(gòu)類似于 ACIM“表親”的定子結(jié)構(gòu)，其中繞線的構(gòu)建方式可在機器氣隙中形成正弦磁通密度。因此，使用正弦波形驅(qū)動時運行最佳。但不同于 ACIM “親緣產(chǎn)品”，PMSM 電機在使用開環(huán)標量 V/Hz 控制時運行較差，因為瞬態(tài)條件下沒有提供機械阻尼的轉(zhuǎn)子線圈。場定向控制是 PMSM 最常使用的控制技術(shù)。因此，扭矩紋波可以極低，這與 ACIM 不分伯仲。但是，較之 ACIM，同等大小的 PMSM 電機可提供更高的功率密度。這是因為對于感應(yīng)電機，部分定子電流需要“感應(yīng)”轉(zhuǎn)子電流來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通。這些附加電流會在電機內(nèi)部產(chǎn)生熱量。但在 PMSM 中，轉(zhuǎn)子磁通已通過轉(zhuǎn)子上的永久磁性建立。

　　多數(shù) PMSM 利用轉(zhuǎn)子表面安裝的永久磁性。這使得電機呈現(xiàn)“圓”磁場，而電機扭矩是轉(zhuǎn)子磁性和定子電磁之間反作用力的結(jié)果。這樣，將典型 FOC 應(yīng)用的直軸電流調(diào)節(jié)為 0，可使最佳扭矩角為 90 度。但部分 PMSM 的磁性埋在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)內(nèi)。這些電機被稱為“內(nèi)藏式永久磁性電機”或 IPM 電機。因此，特定空間角度的徑向磁通較其它角度更集中。這便產(chǎn)生了名為“磁阻扭矩”的附加扭矩分量，它是由集中和非集中磁通路徑的電機電感變化引起的。這使得最佳 FOC 扭矩角大于 90 度，需要將直軸電流調(diào)節(jié)為交軸電流固定的負比率。該負直軸電流也會導致磁場變?nèi)?，從而降低直軸的磁通密度，反過來減少部分磁芯損耗。因此，IPM 電機對于給定幀大小可提供更高的電源輸出。這些電機逐漸成為混合電動汽車、電器和 HVAC 變速應(yīng)用的牽引電機。

　　IPM 電機展現(xiàn)出的凸極還為無傳感器控制應(yīng)用提供了額外優(yōu)勢。在許多情況下，凸極信號的強度足以用來確定靜止和低速運行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子位置。有些無傳感器 FOC 設(shè)計在低速時使用凸極映射，然后轉(zhuǎn)換為電機加速時的反電動勢查看器模型。

　　方框圖

　　永久磁性同步電機 （PMSM） 系統(tǒng)的方框圖 （SBD），它具有微處理器、閘極驅(qū)動器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。

　　永久磁性同步

　　設(shè)計注意事項

　　永久磁性同步電機 （PMSM） 概述

　　永久磁性同步電機 （PMSM） 與 AC 感應(yīng)電機或無刷直流電機 （BLDC） 非常相似。它們都具有永久磁性轉(zhuǎn)子和繞線定子。

　　PMSM 電機通常使用正弦波形控制，而 BLDC 電機通常使用梯形信號控制，梯形信號也稱為六步換向。

　　PMSM 的正弦控制效率很高，電機操作順暢，可最大程度地減少震動并降低噪聲。對 PMSM 電機使用場定向控制 （FOC） 技術(shù)還可最大程度地減少系統(tǒng)生成的扭矩紋波和電磁干擾。PMSM 電機就大小與 AC 感應(yīng)電機 （ACIM） 相比時，可提供更高的功率密度。

　　微處理器

　　TI 的 C2000? 系列 MCU 可以通過使用標量或矢量控制技術(shù)控制 PMSM 電機。了解轉(zhuǎn)子位置對于高效控制 PMSM 電機非常重要。通過連接至電機的霍爾傳感器或旋轉(zhuǎn)式編碼器能夠檢測到轉(zhuǎn)子的位置。這些傳感器輸入用于含傳感器的反饋控制系統(tǒng)。

　　轉(zhuǎn)子位置還可通過使用反電動勢電壓信息進行估算。此反饋控制模式無需使用傳感器和附加接線。位置或速度評估器也可用于計算轉(zhuǎn)子位置。

　　C2000 MCU 上的集成高速 12 位 ADC 轉(zhuǎn)換器、高分辨率脈寬調(diào)制器 （PWM） 和正交編碼器輸入 （QEI） 使其適合于實施 PMSM 電機控制。C2000 MCU 內(nèi)核能夠在短時間內(nèi)執(zhí)行復雜的數(shù)學函數(shù)，使此 MCU 系列成為實施矢量控制技術(shù)和同時控制多個電機的理想選擇。此系列的 PWM 具有可編程死區(qū)延遲，可驅(qū)動高側(cè)和低側(cè)閘極驅(qū)動器。

　　Stellaris? 系列 MCU 向偏愛開放式構(gòu)架內(nèi)核的客戶提供基于 ARM 的解決方案。這些 MCU 還為傳感器的控制提供集成 ADC、特定于電機控制的 PWM 和 QEI 輸入。其基于硬件的故障檢測系統(tǒng)可更快地關(guān)閉系統(tǒng)，無需軟件干預。這些 MCU 也可用于實施標量和矢量控制技術(shù)。

　　隔離

　　TI 數(shù)字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器，這些緩沖器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔離勢壘進行隔離，可提供 4kV 隔離。當與隔離電源配合使用時，這些器件可阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進入本地接地并干擾或損害敏感電路。

　　接口/連接

　　傳統(tǒng)模擬 RS-232/RS-485 接口一直是電機控制應(yīng)用的常見選擇。展望未來，設(shè)計人員將在其產(chǎn)品中集成主流接口，如以太網(wǎng)、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同時為傳統(tǒng)和新興工業(yè)接口提供解決方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔離式 CAN 收發(fā)器 ISO1050。

　　電源管理

　　德州儀器 （TI） 提供從標準 IC 到高性能插件、變壓器、數(shù)字電源 MOSFET 和集成電源模塊的電源管理 IC 解決方案。從 AC/DC 和 DC/DC 電源、線性穩(wěn)壓器和非隔離式開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器到 PMIC 和電源及顯示解決方案，德州儀器 （TI） 的電源管理 IC 解決方案都能幫助您完成項目開發(fā)。

　　五、電機控制 - 步進電機

　　步進電機是電機家族的“嬰兒”，20 世紀 60 年代早期才開始流行。最初構(gòu)想是作為昂貴的位置控制應(yīng)用中伺服電機的低成本替代產(chǎn)品，而新興的計算機工業(yè)迅速將其采用到外設(shè)應(yīng)用當中。步進電機的主要優(yōu)勢在于能提供開環(huán)位置控制，而成本只是需要反饋的伺服系統(tǒng)的幾分之一。在過去，步進電機有時被誤稱為“數(shù)字”電機，因為它們常用正交方波驅(qū)動。但是，對這些電機的這種狹隘看法常常會在以后的項目開發(fā)過程中導致大難題。步進電機像其它磁“模擬”電機一樣產(chǎn)生扭矩。多數(shù)步進電機的阻尼因數(shù)很低，導致一定步頻下的欠阻尼運行和對諧振問題的敏感度。這些問題常常使步進電機比其它電機拓撲更難對付。

　　多數(shù)步進電機采用雙凸極設(shè)計，轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)上均有齒。如同 BLDC 或 PMSM 電機，永久磁性位于轉(zhuǎn)子上，電磁包含在定子中。多數(shù)設(shè)計包含 2 個定子相位，由正交相位信號獨立驅(qū)動。驅(qū)動這些相位有許多方法，包括全步進、半步進或微步進，取決于使用的控制技術(shù)。每種情況下都會確定子磁通矢量，轉(zhuǎn)子上的磁性將嘗試與該矢量保持一致。由于轉(zhuǎn)子和定子的齒數(shù)不同，產(chǎn)生的移動或步進可能極小。對齊之后，定子電流立即按這種方式發(fā)生變化，以增加定子磁通矢量角度，從而使電機移動到下一個步進。由于多數(shù)應(yīng)用中沒有位置反饋，轉(zhuǎn)子磁通可以與定子磁通保持一致，這會產(chǎn)生無助于電機運行的定子電流。因此，步進電機沒有其它常用電機那樣有效。

　　由于多數(shù)步進電機的步進角相對較小，因此不是高速應(yīng)用的最佳選擇。某些應(yīng)用需要定子電流來完全更改每個步進的極性。與定子線圈關(guān)聯(lián)的電感通常會阻止這種變化，電流達到新水平需要一段時間。步頻較高時，電流再次變化之前可能無法完全達到穩(wěn)定狀態(tài)值。因此，驅(qū)動相位的電壓必須以更快的速度增加，以使電流變化更快。但最終會達到增益遞減點，此時就無法再進行高速運行。

　　如前所述，步進設(shè)計因其固有的低阻尼因數(shù)，常常受到共振問題的困擾。這會增加可聞噪聲，嚴重情況下還會導致錯誤步進。為了消除這些問題（并增加步進分辨率），步進繞線通常使用正弦波形驅(qū)動，而非方波。這時，電機稱為微步進。在微步進應(yīng)用中驅(qū)動步進的一種常用方法是，將每個線圈置于單獨的 H 橋電路中，然后利用處理器中的 PWM 調(diào)節(jié)正弦波形。但設(shè)計者必須記住，增加步進分辨率不一定會增加步進精度，尤其是在開環(huán)應(yīng)用中。這由兩個因素造成：

　　實際與 指令轉(zhuǎn)子位置將受到電機負載影響，如步進的靜態(tài)扭矩曲線所示。實際軸角可以與指令步進角相差幾個微步進，具體取決于扭矩負載。

　　步進角精度還受制造轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)的電機設(shè)計和容限的影響。用于微步進應(yīng)用的步進電機制造標準較高，因此較為昂貴。但是，微步進仍常常與便宜的步進電機配合使用，僅為提高共振敏感度。

　　方框圖

　　步進電機系統(tǒng)的方框圖 （SBD），它具有微處理器、閘極驅(qū)動器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。

　　步進電機

　　設(shè)計注意事項

　　步進電機概述

　　步進電機安裝有帶永久磁性的轉(zhuǎn)子，而定子至少具有兩個繞線。當轉(zhuǎn)子磁性與定子繞線保持一致時，將驅(qū)動第二個繞線。兩個繞線交替開啟和關(guān)閉，這將導致電機鎖定在想要的步進位置。通過繞線的電流方向還可反向。

　　在帶有兩個定子繞線的步進電機中，有四個步進以 90° 隔開。根據(jù)向定子繞線提供的脈沖，可精確控制步進電機移動的步進。

　　步進電機的速度控制可通過向繞線提供脈沖頻率實現(xiàn)，而旋轉(zhuǎn)方向可通過反向脈沖序列進行更改。電機內(nèi)部的極片有許多齒，有助于定位相對于定子的轉(zhuǎn)子位置。一些步進電機的定子級也有齒。

　　根據(jù)使用的控制技術(shù)，可全步進、半步進或微步進控制步進電機。簡單的方形脈沖可以控制處于全步進的電機，而先進控制技術(shù)（如脈寬調(diào)制 （PWM））可用于微步進。

　　微處理器

　　基本 MSP430 MCU 與步進控制驅(qū)動器 IC（如 DRV8412）配合使用，能夠以極低的成本提供全步進或高達 16 個微步進。更復雜的步進電機控制可通過 Stellaris? 或 C2000? MCU 實現(xiàn)。板載外設(shè)（如 ADC 和 PWM）創(chuàng)建高度集成的解決方案，可滿足步進電機的所有應(yīng)用要求。

　　接口/連接

　　傳統(tǒng)模擬 RS-232/RS-485 接口一直是電機控制應(yīng)用的常見選擇。展望未來，設(shè)計人員將在其產(chǎn)品中集成主流接口，如以太網(wǎng)、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同時為傳統(tǒng)和新興工業(yè)接口提供解決方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔離式 CAN 收發(fā)器 ISO1050。

　　電源管理

　　德州儀器 （TI） 提供從標準 IC 到高性能插件、變壓器、數(shù)字電源 MOSFET 和集成電源模塊的電源管理 IC 解決方案。

　　從 AC/DC 和 DC/DC 電源、線性穩(wěn)壓器和非隔離式開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器到 PMIC 和電源及顯示解決方案，德州儀器 （TI） 的電源管理 IC 解決方案都能幫助您完成項目開發(fā)。

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