正确设计发动机的电机控制系统可以使发动机在设计阶段的效率最大化。理解每种类型引擎的控制需求,以及对给定应用程序最合适的风格,可以帮助确保在任何上下文中获得更高的效率。
直流电动机属于把直流电转换成机械电的一类电机。最常见的类型基于源自磁场的经典定律。几乎所有类型的直流电机都有一些内部机构,机电或电子,这允许周期性地改变电机电流流动的方向(图1)。
在发动机中恒流电刷是使用最频繁的,即使考虑到新兴的应用类型,但无刷电机的数量在恒流无刷直流电动机中不断增长。第三种类型的发动机是与无刷直流电动机严格相连的分步发动机,但其使用仅限于具有特定需求的应用(例如,伺服系统)。电机中应用最广泛的可能是感应交流电机,而永磁同步电机或永磁同步电机(PMSM)可能是它的替代品。交流感应电机的效率与功率因数校正密切相关,功率因数校正可显著提高典型应用性能,包括HVAC系统、家用电器和工业应用。
在定速应用中,控制交流感应电机相对简单;速度与控制电压的频率直接相关。另一方面,PMSM更适合于变速或转矩应用,但控制更复杂,尽管它比交流感应电机更高效。
电机驱动程序
向工业4.0的过渡加快了工厂采用机器人、协同机器人和其他先进机器的速度,从而产生更高水平的生产力。然而,随着这一点,在精确运动控制、通信互操作性和确定性方面出现了新的设计挑战,并增加了用于位置检测和安全的传感器的使用。
在无刷直流电动机的情况下,驱动是非常复杂的。使用瞬态代替电刷,而速度和扭矩由瞬态的开/关/持续时间比控制。通常整体采用信号脉冲宽度调制(PWM)的形式,用于操作绕组。这种情况由于使用单相、两相和三相电机而进一步复杂化,在每种情况下,通过增加相位(因此,PWM信号)的数量,发送一个逐步更有规律的旋转运动。
今天,许多集成设备为几种发动机提供驱动阶段,包括无刷直流电动机,永磁同步电机,和逐步。它们通常包括驱动外部功率mosfet所需的门驱动器,用于激发多达三个发动机相。一个例子是来自ON Semiconductor的STK5C4U332J-E器件,这是一种用于驱动三相电机的智能电源模块,适用于PMSM、无刷直直流和交流同步电机(图2)。
Microchip为无刷电机提供了完整的三相,单片机,无刷驱动器和三相MOSFET门驱动器,用于广泛的电机应用。这些产品被设计成与任何微控制器接口或在自动配置中使用。
对于无刷直流电动机控制的单片机驱动程序,MTD6501适用于许多解决方案。对于无刷直流电动机控制的MOSFET门驱动器,另一种解决方案是MCP8024。Microchip的8位PIC mcu是简单无传感器或无传感器梯形控制的极好解决方案(图3)。
光耦合
电机控制系统中最昂贵的设备之一是功率半导体开关设备,如IGBT或功率MOSFET。通过高频开关,这些电源设备通过控制系统引入了意想不到的噪声和高压瞬态。高频瞬态会影响敏感而昂贵的单片机的正常工作。Sigma-Delta调制器结合了优越的光学关节隔离技术,提供了高噪声裕度和对隔离模式瞬变的高免疫能力。通过绝缘(DTI)的最小距离为0.5 mm,这些sigma-delta调制器提供可靠的双重保护和适合安全项目的高工作电压。这种绝缘性能优于磁绝缘子或电容绝缘子,其DTI仅为0.1 mm的三分之一。
Broadcom的隔离∑-delta调制器ACPL-796J和ACLP-C799(图4)是两种类型的∑-delta调制器,基于时钟源在内部集成或从外部提供给调制器的事实。对于内部时钟类型,在位于sigma-delta编码器的隔离屏障的主侧集成了10 MHz时钟。时钟信号与数据一起编码,并通过隔离屏障耦合到隔离屏障的第二次侧,在该第二次侧对时钟和数据信号进行解码。
步进电机
减少能源消耗至关重要,这是生产各方面努力追求的目标。在这方面,自动化来帮助更有效的设备,模块的制动能量回收,智能软件的过程优化,等等。
每一个设备,即使是最小的设备,都有助于提高效率。例如,贝加莱X20系列的步进电机控制模块,具有集成的电流降低功能,不仅保证了更好的控制性能,而且可以节省重要的能源。
贝加莱的X20 SM1436-1模块可用于电压从18到60 VDC的步进电机,电流高达2.5 a。集成的电流降低功能提高性能,降低能耗。有了这个功能,事实上,贝加莱集成了一个无提示的电流控制,根据负载,这大大提高了模块的性能。通过根据操作条件和负载调整电流,该模块允许高达75%的节约。
电流降低功能显著减少了模块的功耗和热积聚。同时,电流控制也对步进电机的工作更加平稳有影响。为了自我保护,该模块有一个输入限流器和一个输出短路和过载保护。
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