经典的电机控制知识介绍.ppt.ppt

电机控制,电机驱动,概念，工作原理，拓扑,有刷直流电机(1),转子直流电压通过电刷给绕组馈电定子永久磁体结构或者绕组(可以单独励磁或者与转子绕组串联或并联),有刷直流电机(2),电源电压2到320V功率最高20kW转速最高30,000转/分钟,典型应用音像产品电剔须电动玩具车体功能工厂自动化,力矩=kI,有刷直流电机-拓扑,应用:打印机汽车空调工厂自动化机床,步进电机特别适合需要精确定位的应用，如计算机外设或数控机床。,典型应用参数电源电压:12到180VDC电机功率:最高300W转速范围最高1000转/分钟.步距角精度:最低0.1度主要优点静转矩大定位精确,步进电机(1),力矩=kI,驱动方法半步进全步进单相导通全步进双相导通微步进,最常用步进电机永磁式步进电机混合式步进电机,步进电机(2),混合式步进电机,转子永久磁体和一个齿状软铁端帽定子装配绕组的磁极,永磁式步进电机,转子永久磁体(无齿)定子装配绕组的磁极,双相单极步进电机,双相双极步进电机,优点在宽转速范围内可调速起动时力矩大速度易于调节低成本解决方案交流或直流电源（转子方向与所施电压的极性无关）缺点寿命短电刷噪声，火花干扰，RFI干扰效率低,普通电机(1),普通电机(2),交流电机或普通电机系列,应用真空吸尘器洗衣机食品加工机便携工具,普通电机基本关系式,力矩=kI2,反电动势=ke转速,力矩=kmI,I=(V反电动势)/R,普通电机拓扑(1),相角控制,具有成本效益的解决方案单片机直接装在电源上双向晶闸管直接启动调速,吸收反馈注入电流,普通电机拓扑(2),DCPWM控制,小波纹电流降低噪声优化效率,也叫交流异步或者笼式电机,优点高耐用性高可靠性(无刷)价格低廉(无刷,成熟技术)高效(高达80%)无噪声,缺点直到今天，调节转速还需要使用成本昂贵的电子元器件必要时需要复杂的数学模型（很多关联变量，非线性方程式）,三相供电，120相移,感应交流电机(1),磁极绕组特殊排列，并需要适当的波形电流，以产生旋转磁通量。磁通旋转速度由电压频率和磁极数量确定（上图中有两副磁极）转子:转子带有短路绕组转子速度低于定子频率感应电机工作原理定子旋转磁场在转子中感应出电流(变压器工作原理:转子的短接绕组可以视为二次侧)因为感应，转子上也产生磁场定子与感应的转子磁场之间交互作用，产生旋转力矩:转子以较慢的速度旋转，磁通量将趋于匹配它们的位置。从来不会实现同步的（异步电机），因为，不会再感应出更多电流。,感应交流电机(2),2相感应交流电机,感应交流电机(3),感应交流电机基本力矩对转速特性,感应交流电机标量控制(1),通过提高定子电压改变有效力矩,感应交流电机标量控制(2),通过改变电压频率比，调节电机转速,电压值=kx频率：使最大力矩保持恒定(V/f=k产生恒定电流，从而形成恒定的定子磁场。)这种方法叫做标量控制。,感应交流电机标量控制(3),基本原则是保持压频比V/f恒定，以产生恒定力矩(无需调节：开环控制)优点:简单实施快速简易计算工作很少缺点:负载变化反应差效率不高安装一个低成本的转速表信号发生器（传感器），可以确定精确速度，提高效率，调节力矩。在中等性能的系统中，一个专用的8位单片机完全可以实现一个控制程序，以减少标量控制的缺点(最好使用ST92141),感应交流电机标量控制(4),转差调节调节定子电压，保持转差恒定,感应交流电机矢量控制,描述振幅和相位（使用的矩阵和矢量）的复杂变量。优点:低速时全力矩动态特性优异四象限工作短期过负载能力转子定位缺点:需要电机数学模型需要一个功能强大的CPU（16位单片机、数字信号处理器）相位电流和转子定位编码器需要成本昂贵的传感器需要执行复杂的算法典型应用领域：高端工业设备驱动器、伺服系统、机器人无传感器解决方案（使用Kalman滤波器和观察器），但是实施起来更加困难，有时还涉及到专利问题。,永磁式无刷直流电机(BLDC),主要优点:高效(最高95%)静音工作可靠/产品寿命长（无刷）尺寸/功率比高起动力矩大主要应用（针对以上优点）：压缩机（空调、冰箱）风扇汽车制造(燃油泵和水泵、散热风扇、气候控制)家电(真空吸尘器、食品加工机)电动汽车办公自动化(激光打印机和复印机),BLDC工作原理,同步:定子磁通与转子机械旋转速度相同.定子描述:3相绕组(1副或2副或更多副磁极)转子描述:永久磁铁对于一副磁极:1个电周期(6步)=1机械周期,BLDC(1),一副磁极电机,BLDC(2),两副磁极电机,BLDC驱动模式:6步工作原理(1),绕组A,B,C中的电流,BLDC驱动模式:6步工作原理(2),三相中一相的信号,BLDC控制方法(1),必须始终知道转子的位置，这样才能达到自动换向状态（最佳效率）。至少有两种可用方法来确定转子的位置。霍尔效应传感器（传感器模式）反电动势检测（无传感器模式）当绕组上的电流与同一绕组中的反电动势同相时，产生自动换向。控制过程就是使这两个信号同相。逆变器在电机绕组中产生电流。永久磁铁在电机绕组中感应出反电动势电压。反电动势是某一绕组的磁铁运动在下一个绕组中感应出的电压，emf=d/dt。反电动势与供给电机的电源无关（例如，只要用手旋转转子就可能产生反电动势）,BLDC控制方法(2),电流式控制在绕组中的施加电流电机真正的直流准确控制六步中每一步的电流可以控制力矩电压式控制PWM周期提供的控制电压无法精确控制电流（只能限制最大电流）,BLDC控制拓扑,分立控制方法:微处理器:ST5/ST7栅驱动器IC:L638XIGBTs或者PowerMOS,单片控制方法powerSPIN系列,52V,3A,60V,600V,20A,60A,洗衣机冰箱压缩机空调真空吸尘器和食器加工机,汽车散热风扇燃油泵和水泵气候控制,工业应用汽车空调工厂自动化打印机,电机控制应用:2种方法,电机驱动,产品组合,L6384L6385L6386L6387,L293L298L297L6506,L6201/02/03L6234,L6205L6206L6207L6208L6235,L6225L6226L6227L6228L6229,双极电机驱动器,高压半桥驱动器,BCD(DMOS)电机驱动器,新BCD电机驱动器大电流,新BCD电机驱动器标准电流,产品概述,最大均方根电流,步进电机驱动器,功率极和PWM,双全桥,全桥,0,L293,三相电桥,三相电机驱动器,L6201,L6202,L298,L6234,L6203,FUNCTIONALITY,1,2,3,4,L6205L6206,L6207,L6235,L6208,L6225L6226,L6227,L6229,L6228,功率,控制,逻辑解码年PWM,栅驱动器,L297,PWM电流控制器,L6385,L6384,L6506,L6387,L6386,电机控制产品阵容,PowerDIP,SO,PowerDIP,DIP,MultiWATT,PowerSO,SO,PowerDIP,PowerSO,MultiWATT,1.0,SO,PowerDIP,PowerSO,SO,PowerDIP,PowerSO,SO,PowerDIP,PowerSO,SO,PowerDIP,PowerSO,2.0,L293DDL293D,L293BL293E,L298PL298(H)N,L6201L6202L6203L6201PS,L622xDL622xNL622xPD,L620 xDL620 xNL620 xPD,L6225/6ParalleledBridges,L6205/6ParalleledBridges,DFB,DFB,DFB,FB,DFB,DFB,FB,FB,0.5,1.5,2.5,0,简易计算.假设:功耗SO1WPDIP2WPSO4WMwatt5WVs=24V,同时使用两个全桥,同时使用两个全桥占空比=100%,电流能力对封装,电流能力对器件及封装,L6225,L6226,L6227,L6228,L6229,L6205,L6206,L6207,L6208,L6235,三相全桥,双H桥,基本功率极过流固定最小封装用于双DC或步进,增强型功率极可设置过流诊断输出用于双DC或步进,带PWM的功率极双电流控制用于双DC或步进,步进电机驱动器单片用于双极步进,无刷电机驱动器解码逻辑霍尔传感器PWM电流控制转速表输出,powerSPIN产品阵容,2.4A,1.2A,1.6A,0.8A,0.6A,1.2A,0.9A,1.8A,假设Tj=125CVs=24V同步整流SOPdmax=1WDIPPdmax=2WPowerSOPdmax=3.5W,0.4A,0.9A,0.6A,1.3A,PowerSO,双直列(DIP),SO,L622x双,L622x并联,L620 x双,L620 x并联,powerSPIN额定电流,powerSPIN系列特性表,L638X简表,新,新,powerSPIN,驱动器系列产品,PowerMOS,模拟控制核心,直流电机,步进电机,无刷,PowerMOS,L620X用于提高大电流(5.6A峰流,2.8Arms),L622X用于提供小电流的(2.8A峰流,1.4Arms),PowerSPIN:用于大规模定制的电机驱动器平台,工作电源电压8到52VPowerMOS输出极：在Tj=25C时，典型Rds(on)=0.3或者0.73本征快速续流二极管两个覆盖不同额定电流的产品类别:L620X和L6235:5.6A峰流和2.8ArmsL622X:2.8A峰流和1.4Arms并联工作将峰值电流和均方根额定电流提高一倍!扩展型保护系统:用于过流保护的无耗上桥臂电流检测互导保护热保护欠压保护CMOS/TTL输入工作频率高达100KHzPowerSO,SO和DIP封装:适合不同的额定功率,PowerSPIN电机驱动器产品系列共性,powerSPIN产品阵容,L6225,L6226,L6227,L6228,L6229,L6205,L6206,L6207,L6208,L6235,三相电桥,双H-Bridge,基本功率极固定过流最小封装用于双DC或步进电机,增强型功率极可设定过流诊断输出用于双DC或者步进电机,内置PWM控制器的功率极带电流控制用于双直流或步进电机,步进电机驱动器单片用于双极步进电机,无刷电机驱动器霍尔传感器解码逻辑PWM电流控制转速表输出,powerSPIN额定电流,2.4A,1.2A,1.6A,0.8A,0.6A,1.2A,0.9A,1.8A,假设Tj=125CVs=24V同步整流SOPdmax=1WDIPPdmax=2WPowerSOPdmax=3.5W,0.4A,0.9A,0.6A,1.3A,PowerSO,双直列(DIP),SO,L622x双,L622x并联,L620 x双,L620 x并联,Vboot,栅,逻辑,全桥,OCD,THERMAL,PROTECTION,栅,逻辑,全桥,OCD,CHARGE,PUMP,VSA,OUT1A,OUT2A,SENSEA,VSB,OUT1B,OUT2B,SENSEB,VBOOT,VCP,ENA,IN1A,IN2A,ENB,IN1B,IN2B,L6205/L6225概述,L6206/L6226概述,L6207/L6227概述,L6208/L6228概述,L6235/L6229概述,powerSPIN系列产品特性表,=,Imax5.6A(2.8)peak2.8A(1.4)DC,输出极额定电流,EN,OverTemperature,I1A/n,I2A/n,(I1A+I2A)/n,To栅逻辑,FromBridgeB,OCDComparator,Iref,OCDComparator,GND,GND,Cor逻辑,+5V,GND,VSA,OUT1A,OUT2A,PowerDMOSncells,PowerDMOSncells,PowerSENSE1cell,PowerSENSE1cell,I1A,I2A,CEN,REN,InternalOpen-Drain,L6208/28,无耗过流检测(1),无耗过流检测(2),ENA,OverTemperature,I1A/n,I2A/n,(I1A+I2A)/n,To栅逻辑,OCDComparator,Iref,GND,GND,Cor逻辑,+5V,GND,VSA,OUT1A,OUT2A,PowerDMOSncells,PowerDMOSncells,PowerSENSE1cell,PowerSENSE1cell,I1A,I2A,CEN,REN,InternalOpen-Drain,L6205/25L6207/27,BridgeBisIdentical,无耗过流检测(3),OCDA,OverTemperature,I1A/n,I2A/n,(I1A+I2A)/n,To栅逻辑,OCDComparator,Iref=1.2V/RCLA,GND,GND,Cor逻辑,+5V,GND,VSA,OUT1A,OUT2A,PowerDMOSncells,PowerDMOSncells,PowerSENSE1cell,PowerSENSE1cell,I1A,I2A,CEN,REN,InternalOpen-Drain,L6206/26,ENA,GND,RCLA,PROGCLA,1.2V,无耗过流检测(4),L6235/29,OverTemperature,(I1+I2)/n,OCDComparator,Iref,OCDComparator,PowerSENSE1cell,InternalOpen-Drain,I1/n,I2/n,VSA,OUT1,OUT2,PowerDMOSncells,PowerDMOSncells,PowerSENSE1cell,I1,I2,DIAG,To栅逻辑,GND,GND,Cor逻辑,+5V,GND,CEN,REN,EN,I3,OUT3,VSA,PowerDMOSncells,Iref,I3/n,EN,OutputCurrent,ISOVER,tOCD(ON),tEN(FALL),tEN(RISE),VEN(LOW),EN,OutputCurrent,tDISABLE,VTH(ON),tD(ON)EN,过流保护,I1,EN=DIAG,I2,I3,“刹车”命令,过流-禁止时间,BLDC电机刹车中的过流保护,SENSEA(orB),感应比较器,VrefA(orB),RSENSE,消隐时间单稳态,1s,RCA(orB),Q,R,S,2.5V,5mA,到栅逻辑,RCA(orB)单稳态,比较器输出,消隐电路,单稳态设置,从下桥臂栅驱动器,(0),(1),PWM电流控制固定关断时间单稳态,V,RC,T,RCRISE,T,RCRISE,1ust,BLANK,1ust,BLANK,D,C,B,A,D,C,Synchronousor,Quasi,-,同步整流,B,ON,0,-,V,REF,FastDecay,SlowDecay,BridgeStatus,I,OUT,V,REF,R,SENSE,T,ON,T,OFF,5V,2.5V,0.69RC,OFF,OFF,ON,V,REF,V,SENSE,SENSEA(orB),VrefA(orB),RSENSE,1s,RCA(orB),Q,R,S,2.5V,5mA,从栅驱动器下桥臂,(0),(1),PWM电流控制-典型波形(1),PWM电流控制-典型波形(2),PWM电流控制快速衰减对慢速衰减,IN1A,IN2A,IN1B,IN2B,CONTROL,HALF/FULL,CW/CCW,CLOCK,RESET,H1,H2,H3,FWD/REV,BRAKE,EN,ENA,ENB(ONLYL6206/26,L6235/29),5V,ESDProtection,EN,ENA,ENB(OtherDevices),5V,ESDProt.,InternalOpenDrainforOverCurrentpractiSPIN是为powerSPIN系列驱动器以及其他驱动器IC开发的评估工具.practiSPIN是一个实时评估工具吗?practiSPIN软件配套工具实际上是由相同封装的两个不同工个构成的。第一个工具是一个连接个人计算机和电机驱动器的接口，这个电路可以实时驱动不同种类的电机。这个软件还包括一个功耗和热分析部分，这个工具不是实时的，但是通过仿真可以帮助计算IC功耗和评估结温。,常见问题(5),通过practiSPIN可以进行哪些类型的热仿真?这个软件可以执行三种仿真第一种稳态仿真，即假设电机总是在同一个电流运转。第二种单一脉冲分析，即电机通过单一脉冲加速一段时间，电流确定。然后用不同的电流值运行电机，时间固定，然后停机。仿真结果是最大IC结温。最后一种是重复脉冲分析，即电机执行运转和等待的周期。practiSPIN能以微步进模式驱动一台步进电机吗?可以，practiSPIN的配套软件工具允许运行步进电机，采用L6208每步16个微步驱动。你需要两个DAC执行微步进操作，在practiSPIN系统中来自ST72264的两个PWM输出可以用在一个简单的DAC，但必须过滤输出，而且把电压施加到L6208的Vref引脚上。,常见问题(6),L6228是否有一个评估板?有，L622X系列在功能上和引脚兼容性上与L620X家族相同，因此你可以使用L6208的评估板，最大的不同点是导通电阻Rdson，因此你可以用评估板做第一个评估，最后用L6228取代L6208IC。practiSPIN系统