在电动机控制应用中大功率与智能的结合

在电动机控制应用中大功率与智能的结合

     现在，许多电动机控制设计中使用微控制器（MCU）或者数字信号控制器（DSC）来执行电动机控制算法。最近十年来，MCU和DSC的成本已经大幅度下降，如今，低价位的产品也可以使用这类器件，因而受益匪浅。MCU或DSC的输入/输出是逻辑电平的信号。本文介绍这些器件的输入/输出与大功率电子驱动电路之间的连接方法和技巧。
    　　
     在设计接口电路时，除了在价格和性能之间需要折衷，还有很多方面需要权衡。在选择接口元件时，可以按下面的顺序逐步进行。
    　　
     * 需要带动的是那种类型的电动机？
    　　
     * 使用那种算法来控制电动机？
    　　
     * 使用控制器的外围设备可以简化对接口的哪些要求？
    　　
     * 对於电气方面的安全，有什麽要求？
    　　
     * 设计完成後是否进一步发展成为产品？
    　　
     栅极驱动接口电路
    
    　　许多类型的电动机是用半桥输出电路来控制的，其中包括有电刷直流电动机、无电刷直流电动机、交流感应电动机以及永磁交流电动机。功率级电路需要一个栅极驱动接口电路来推动，它至少应当具有以下功能：
    
    　　* 把MCU的输出逻辑电平转换为10 V至15 V的电平，加在晶体管的栅极和源极之间。
    　　
     * 在功率晶体管开通和关断时提供相当大的驱动电流，以克服密勒（Miller）电容的影响。
    
    　　对於栅极驱动电路，高端输出器件向来是个问题。功率输出电路中的高端和低端输出器件最好是用N沟道器件。在硅片尺寸和击穿电压一定的情况下，P沟道器件的导通电阻总是高於与之相当的N沟道器件。使用P沟道器件，可以简化栅极驱动电路，但是会增加设计的成本。硅片的尺寸就是金钱，P沟道器件的成本总是高於与之相当的N沟道器件。
    
    　　在功率级电路中，用於推动低端器件栅极的驱动电压是很容易产生的，因为低端器件各点的电位是相对整个线路的地而言的。栅极控制电压一定是相对於源极电压而言的。对於高端晶体管，栅极控制电压是满摆幅的。因此，在功率放大电路中，要求用於高端器件栅极的驱动电压是在源极电压的基础上浮动。
    
    　　今天，可以选用价格不高的集成电路来简化栅极驱动电路的设计。有一些比较简单的驱动电路，它们提供大电流，但没有高端器件所需要的电平转换电路。有一些大电流驱动器中则包含电平转换电路，可以直接地连接到逻辑器件和大功率器件。选用什麽样的栅极驱动器，也与设计对隔离的要求有关。往往用光耦合器，以满足对电平转换的要求，并且可以在设计中采用比较简单的栅极驱动器集成电路。
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    　　在许多电机控制应用中，它们使用的电力是从交流电网经过全波整流器和滤波後送过来的。在工作期间，整流器低电平端变成和整个系统的参考电压一样，成为0 V。然而，参考电压并不是地电位。在低电平端存在交流电压，它是在0 V附近与电网电压的峰值之间变化！在许多廉价的应用中，让MCU或DSC在低电平端电位的基础上浮动是有道理的。然而，如果要求对设计进行测试或者现场服务的话，明智的做法是增加信号隔离以确保安全。 至少，在产品开发过程中，电动机驱动电路应该采取信号隔离措施。
    
    　　从“外壳会损坏”这个角度看，也应当使用隔离电路。在一项具体的设计中，即使反馈信号没有隔离，也应该把栅极控制信号加以隔离。否则，功率器件会损坏和短路，这时直流电压会通过驱动电路进入低电平的逻辑器件。
    
     栅极驱动集成电路往往还有其它的功能，其中包括欠压断电保护（under-voltage lockout）、插入一段死区、防止高端功率器件和低端功率器件同时导通，以及电流过载时自动关机等功能。还应当考虑到，由於具备这些功能，会增加成本。
    
    　　栅极驱动电路的驱动电压，有几种方法产生。高端驱动电路必须产生一个比功率输出级直流电源电压高10 V至15 V的电压。自举电路是最便宜的，因为它不需要浮动电源。参阅图1，自举电路对一只电容器充电，电容器上的电压是在高端输出晶体管源极电压的基础上浮动。下面的晶体管开通时把高端晶体管的源极电压拉到0 V，而这个电路只在这时对电容器进行充电。电容器必须存储足够的电荷以维持在上面的晶体管开通的这段时间内所需要的栅极电压。对於自举电源，这里表现出它的局限性──不能一直维持上面的晶体管开通。自举电容器上的电压将会下降，因而高端器件会关断。
    
    

    
     　　图1： 自举电路可以用於产生高端功率晶体管的栅极电压，它是在高端功率器件源极电压的基础上浮动的。
    
    　　自举电路的这个局限性有它的副作用，这与电动机的类型有关。对於用正弦波电流推动的电动机，自举电路会限制加在反相器上的PWM占空比的范围。可以改变自举电路中元件的大小，以增大占空比的范围。但是，BLDC和SR电动机需要换相，一般是不允许使用自举电路。
    
    　　如果高端器件的栅极驱动信号必须是连续的，那麽，一定要用浮动电路来产生比直流电源电压高10 V至15 V的电压。有一个方案是用充电泵电路，它的电压是相对高端晶体管的源极电压而言的。另一种方法是用一个高频信号把栅极信号调制，每当栅极驱动信号出现时，高频信号便出现。图2所示电路是把调制信号通过一只变压器耦合到晶体管的栅极和源极，变压器的副边电压经过整流後产生栅极驱动电压。这两种方法都会增加设计的成本。
    
    
    　　
     图2： 高端栅极驱动可以用一只变压器和高频斩波信号加以隔离。这里，dsPIC30F的Output Compare引脚的输出是用於产生斩波信号。
    　　
     电动机的反馈信号
    
     人们需要电动机和功率控制电路提供各种信号，这取决於电动机的类型及所用的控制算法。而且采集反馈控制信号的方法也很多。例如，许多电动机控制算法需要知道负载中的相电流。测量相电流的最简单方法是使用霍尔效应电流传感器。霍尔传感器与推动电动机的高压电路是完全隔离的。它使用逻辑电路的电源，在连接到MCU或者DSC中的A/D转换器时所需要的元件很少。这个方案的缺点是成本高。
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    　　测量相电流的另一个方法是用PWM电流传感器集成电路，它测量一只与负载串联、敏感电流的电阻器上的电压降。这些器件是设计成在功率级满摆幅输出电压的基础上浮动的，为它供电的是一个自举电源。这种传感器的输出是PWM信号，它的占空比与敏感电阻器中的电流成正比。它与微控制器的连接方法有两种。第一种方法是，PWM的输出信号直接用一个RC滤波器滤波，把它转换成为模拟信号。这个方法的缺点是，控制算法可能不允许滤波器输出中的脉动或者滤波器所引入的相位误差。使用滤波器也增加了设计的成本。另外一个方法是直接把PWM的输出信号送到微控制器上的输入外设引脚上（图3）。每当输入信号处在上升沿，下降沿或者两者都出现时，控制器中连到这个引脚上的外设部件便计算一个数字时基信号的脉冲个数。计算到的脉冲个数进而由应用软件进行处理，从而决定输入信号的周期、频率或者占空比。
    
     当控制器上有捕捉输入信号的引脚时，在设计中可以利用隔离式模拟放大器，通过数字转换来得到相电流。利用V/F或者电压/PWM转换器把模拟信号变成数字信号。模拟信号可以通过使用数字式光耦合器的隔离电路送往控制器。V/F转换器和光耦合器合一的方案成本可能会比模拟隔离的方案低一些。
    
     测量相电流的第三个方法是，在功率输出级中的低端晶体管源极串联一只电阻器（图4），用这只电阻器敏感电流。用一个差动放大器把电阻器两端的电压加以放大，然後送到A/D转换器的输入端。在使用这个方法时，A/D转换器必须与控制晶体管的PWM信号同步。为了得到精确的电流信号，测量应当在输出功率级中低端晶体管开通时进行。如果控制器中包含A/D转换同步逻辑电路，那麽在使用分流测量技术时，这样的控制器就很有用。
    　　
    
    
     开发软件
    
    　　用传统的仿真设备来开发电动机控制软件，向来是一件棘手的工作。用仿真器时，使用人员可以在任何时刻把应用软件的运行停下来，看看寄存器中暂存的数值，程序的执行情况，等等。可是，不幸的是，在某些时刻把软件停下来，对於电动机和功率电子电路而言是却很糟的事！
    　　
     当软件停下来的时侯，PWM 控制值不再更新，於是在电动机和功率输出级中会出现很大的直流电流。为了解决这个问题，仿真器应该把PWM信号设置在它不会损坏负载的状态。例如，当仿真器停下来时，dsPIC30F系列的PWM外设部件可以把所有的PWM输出引脚设置在低电平状态。这时所有的输出功率器件都关断，电动机会慢慢地停下来。在产品开发过程中，把用於保护功率级的其它功能加到设计中，是很有用的。当软件在产品开发过程出现错误时，这些功能可以保护硬件不致损坏，在正式生产时可以把这些保护功能去掉以降低成本。这些保护功能包括限流，供电电压过载保护，全桥输出功率级中高端晶体管和低端晶体管同时导通时的关机功能。
    　　
     选择控制器
    　　
     选择那种控制器，这会影响到用什麽器件把控制器和功率输出级连接起来。通用MCU也许能够满足算法的需要，但是它可能没有直接用於电机控制的外设部件。可能需要在接口电路中增加一些电路，以保护输出器件或用於反馈信号的处理。用於电机控制的控制器，例如Microchip的16位数字信号控制器dsPIC30F系列有专门用於电机控制的外设部件，它能够可观地降低功率级连接电路的复杂程度。