如何在工业驱动器中实现精密的运动控制（如何在工业驱动器中实现精密的运动控制电路）

乘坐电梯时，您希望顺利、安全地从一层到达另一层。在电梯驱动中，精确的运动控制使电梯能够停在指定位置并平稳减速直至完全停止。缺乏精确的运动控制会导致电梯意外停在楼层之间，这会让乘坐电梯的人感到头晕、不舒服或不安全。

机器人、计算机数控机器和工厂自动化设备都需要通过伺服驱动器进行精确的位置控制，并且在许多情况下需要精确的速度控制，以便正确制造产品和维持工作流程。

工业驱动的许多方面对于实现精密运动控制非常重要，其中涉及实时控制设计中的三个基本子系统：传感、处理和驱动。本文讨论每个子系统的支持技术的示例。

就职

如果没有精确的位置和速度传感，就无法实现精确的运动控制。感测可包括电机轴角位置和速度感测或输送机线性位置和速度感测。设计人员经常使用增量式光学编码器（每转有数百到一千个凹槽）来感测位置和速度。这些编码器通常通过正交编码脉冲(QEP) 连接到微控制器(MCU)，因此需要QEP 接口功能。

相比之下，绝对编码器的精确度要高得多，通常每转具有更多数量的凹槽，并且经过精密安装以提供绝对角位置。感测到的位置被转换为数字表示并根据标准协议进行编码。此类协议的示例包括Tamakawa 的T-Format 和iC-Haus GmbH 的双向串行同步(BiSS) C。以前，您需要现场可编程门阵列(FPGA) 来与此类编码器连接，但现在越来越多的MCU 也具备此功能（如下图1 所示）。由于T-Format 和BiSS C 协议通常受大多数MCU 上常见的串行外设接口(SPI)、通用异步接收器发送器(UART) 或控制器局域网(CAN) 等常用通信端口或接口的支持，因此协议有所不同，因此它们通常需要可定制的逻辑块或专有的处理单元。

图1：连接到Texas Instruments 控制MCU 的绝对编码器

绝对编码器还可以基于电磁或类似旋转变压器的电路，这需要精确测量正弦电信号。因此，精密运算放大器和电压基准也很重要。电机和运动控制始终需要精确的电机电流和电压感测，特别是在使用无传感器控制时。常见的解决方案是使用具有集成低侧电流检测功能的隔离/非隔离放大器和驱动器进行内联和逆变器桥臂低侧检测。

处理

在精密运动控制系统中执行运动控制配置文件和算法需要具有高计算能力的MCU。为了提供必要的精度和准确度，此类MCU 通常具有32 位字长和本机64 位浮点支持。由于算法严重依赖三角、对数和指数数学，因此许多MCU 都具有硬件加速器。

考虑到受控运动轴的数量或控制回路的数量，设计人员通常采用多中央处理单元(CPU) 架构或类似CPU 的并行加速器。还可以考虑使用多个CPU 来执行额外的监控和通信任务。

作为实时控制应用，整个信号链的总延迟（即从收集电流、电压、位置和速度测量值到更新控制输出的时间）直接影响控制性能，从而影响精度。一些MCU 具有片上模拟比较器，可以直接生成控制动作，从而显着减少延迟和CPU 负载。快速中断响应和现场保存和恢复也很重要。

仅仅拥有高处理能力是不够的。运动控制MCU 还必须具有通用控制外设，例如12 位和16 位模数转换器、QEP 接口、高分辨率边沿和脉冲捕获以及脉宽调制(PWM) 输出。此外，还需要实现自定义逻辑和时序的能力。

为了帮助设计人员更快地开始并微调其设计，MCU 和电机驱动器供应商提供了电机和运动控制算法，包括无传感器观测器和软件库等核心算法，以及具有GUI 可配置性的完整控制代码。

图2是工业驱动控制MCU的概念图。

图2：用于工业驱动器的MCU

驾驶

提供所需的控制动作需要功率器件和驱动器，通常采用PWM 形式，并以占空比表示动作。 PWM脉冲的精确控制非常重要，这意味着驱动器必须以尽可能小的时序偏差提供必要的驱动强度；电源设备必须在准确的预定时间打开和关闭。此类驱动器如今已广泛使用，并具有过流和过热保护等附加功能。新型宽带隙功率器件可确保快速、精确的开启和关闭时序。宽带隙器件的快速开关速度和低开关损耗还可以实现快速控制环路，从而提高稳定性和性能。

除了精度之外，许多应用还需要紧凑的电机控制设计，需要具有集成电流感应和电源模块的驱动器。

结论

精密运动控制对于工业驱动至关重要。技术解决方案涉及实时控制设计的所有三个基本子系统，即传感、处理和驱动，旨在实现精确运动控制。

审稿编辑：郭婷