浅谈工业应用的运动控制策略论文（浅谈工业应用的运动控制策略研究）

作者：毛里齐奥迪保罗埃米利奥

在汽车和工业系统创新以及生产技术进步的推动下，伺服驱动器、电动机及其控制设备代表着持续的增长机会。预计到2022 年，无论是数量还是价值，汽车和运输行业都将占据伺服电机和驱动器销售的最大份额。伺服驱动器、控制器和电动机的需求仍然很高，以帮助公司提高工业环境的效率。

先导和速度/扭矩控制要求和技术因电机类型而异，从直流和通用电机中电压和电流的简单控制到交流电机逆变器的使用、无刷电机中不同相位的反馈切换以及复杂的数字电路步进电机驱动序列。即使对于传统的模拟电机（例如感应和开关磁阻类型），传统的模拟技术现在也伴随着日益复杂的数字控制方法，使得解决方案能够以低成本实施。使用微电子技术可以更好地控制速度、位置和扭矩并提高效率。

图1：电机控制IC 框图（图片来源：Maxim Integrated）

电机控制电路必须以最小的开关损耗或传导损耗快速激活和停用电机线圈中的电流。 MOSFET 和绝缘栅双极晶体管(IGBT) 都能满足各种应用中的电机控制需求。这些电控设备的功能和特性相似，并且其内部设计存在重叠区域。在大多数应用中，它们用于H 桥配置，以控制两个或多个电机线圈的电流路径。这样可以完全控制电机的速度和方向（图1）。

电动机概述

每个包含电机或机械驱动要求的设计项目都必须评估是否使用连续电流设计或步进或伺服电机。在连续电机中，永磁体或绕组用于在定子中产生静磁场。转子由线圈组成，电流通过压在旋转轴上的歧管上的石墨刷到达转子。电流流过连续绕组以维持旋转。

交流电机可以是同步电机，也可以是异步电机。在异步电机（也称为感应电机）中，定子绕组布置成产生近似正弦分布。同步电机包括无刷直流和交流电机和开关磁阻电机，以及由正弦电压源供电的电机。

在无刷电机中，转子具有永磁体，位于定子上的绕组由控制电子设备按适当的顺序供电。无刷直流电机由不同定子绕组上的连续信号的切换序列驱动。无刷交流电机可制成永磁同步交流电机。在这种情况下，它们由正弦信号驱动。由于没有电刷，消除了摩擦源，从而提高了效率。开关中没有机械部件，允许更高的转速。

步进电机是直流驱动的无刷同步电机。转子在特定位置保持静止。步进电机可以非常精确地将转子轴旋转几度，而无需使用传感器来检测角位置。

关键参数

与大多数电子元件一样，一些主要性能参数和特定性能参数决定了设备和应用之间的初始对应关系。电机控制装置的主要参数是电流和电压管理值，因为它们决定特定部件是否能够满足电机负载要求。

对于MOSFET，下一个关键参数是导通电阻(RDS(on)) 和栅极电容。较低的导通电阻可减少导通期间的电阻损耗和电压降，从而降低功耗并提高效率。门的容量决定了当前频率以及在所需的转换时间（开关速度）下完全激活和停用门所需的速度。对于IGBT，下一个关键参数是压降(Vdrop)，它是二极管对PN 结和内部MOSFET 的贡献之和。温度和电流水平影响RDS(on) 和Vdrop 参数。

一般来说，MOSFET 提供更高的开关速度（以兆赫为单位）和更高的峰值电流。 IGBT 的电流值约为10 A，坚固耐用，但开关速度较慢。对于电机控制应用，基本准则是：对于较低的电压和电流以及较高的开关频率，MOSFET 是更好的选择，而在较高的电压/电流和较低的频率下，IGBT 是更好的选择。

编辑：hfy