标签: 马达控制

马达是一种机电产品，可用来驱动各种设备，例如无人机和汽车。将马达连接到电源，就会产生旋转运动，用来推动螺旋桨旋转，以及滑杆的移动和上升等动作。这些动作可由Arduino来控制。 与控制LED一样，可接通和关断电源让马达旋转或停止，把电源方向反接可让马达反向旋转，也可调整电流改变转速。如果与其他传感器结合，还可以赋予马达更多复杂的动作，例如当障碍物接近时让马达停止运行，在逐渐减速时停止在期望的目标位置，在遇到障碍物时回头向另一个方向移动等。 项目BOM 由于马达运行需要大电流，用控制LED闪烁的方法是无法让马达运行的，因为Arduino的数字输出引脚最多只能承受20mA的电流。 本项目使用的RE-280RA DC马达的驱动电流在1A以上，需要连接一个马达驱动器。马达驱动器可通过外部信号导通和关断马达运行电路，控制马达的旋转和停止、转向。 马达及驱动器引脚分布 马达驱动器配有两个控制引脚，一个设置为High时正转，另一个设置为High时反转。这使得马达驱动器可以控制马达的正转、反转和停止。 项目制作 所有BOM物料准备好后，按照电路图进行连接。 首先，将马达连接到马达驱动器的引脚2和4，将电池连接到马达驱动器的引脚5和3实现电池供电。 用Arduino控制大电流马达电路图 注意，在马达工作期间可能会产生噪声，需要将电容器连接到马达的两个引脚来降低噪声。 由于项目中马达的供电电压在4.5V以内，使用9V电池可能会损坏马达，需在马达驱动器的引脚1处指定输出至马达的最大电压。本次我们为马达提供3.3V的电压，将Arduino 3.3V电源连接到引脚1并指定最大电压值。马达旋转可以通过马达驱动器的引脚7和9来控制。这意味着，需要分别连接到Arduino的引脚5和6，通过Arduino的输出对其进行控制。 完成连接后，马达的旋转可以通过Arduino引脚5和6的输出来控制。旋转、停止和旋转方向都可以通过将这两个引脚设置为High或Low来控制。 要正转时，使引脚5输出High，使引脚6输出Low。具体方法是在程序的第10行设置引脚5输出High，在第11行设置引脚6输出Low。 如果要反转，则需要使引脚5输出Low，使引脚6输出High。具体方法是在程序的第10行设置引脚5输出Low，在第11行设置引脚6输出High。 如果要使马达停止运转，则需要让引脚5和6都输出Low。如果引脚5和6都输出High，则会启动制动器，可以让马达在比两个引脚都置Low时更短的时间内停止运转。 如果希望改变马达的转速，可使用PWM控制转速。通过在短时间内切换High和Low，马达在旋转和停止之间交替切换，转速实际上比正常速度慢。High的时间越长，转速越快；反之High的时间越短，转速越慢。 BA6956AN马达驱动器控制逻辑 具体方法是，通过PWM输出控制想要转向的引脚，并使另一个引脚始终保持在Low状态。正转时，用PWM输出控制引脚5，并使引脚6保持在Low状态。反转时，用PWM输出控制引脚6，并使引脚5保持在Low状态。 程序上，在第10行将引脚5输出的PWM比率设置为一半（最大为255），在第11行使引脚6保持在Low状态。当改变第10行的数字时，速度也会随之改变。但是，如果High小于某个特定的比率，马达将不会旋转。 如果减小该值马达不旋转，就请尝试指定更高的值，可以通过逐渐增加或减少引脚5输出的值来逐渐改变速度。这样，马达转速将从停止状态逐渐提高，当达到最大值时，速度将会逐渐降低并最终停止运转。 本文为翻译稿，相关代码可从 http:// deviceplus.com 免费下载。

本方案是一个基于STSPIN32F0A高集成芯片的伺服无刷马达控制方案，具有一个强大的功率级，模拟电路采用电流感应和过流保护，Cortex-M0 MCU用于闭环定位功能的电机磁场矢量控制（FOC），PCB大小40mm x 40mm。 方案特点 方案控制芯片STSPIN32F0A提供了适用于不同驱动模式的三相BLDC电机驱动方案。该器件有三个半桥式栅极驱动，电流容量为600mA（灌电流和拉电流），能够驱动功率MOSFETs。由于集成的互锁功能，不能同时打开同一半桥的高、低侧开关。 器件内部的3.3V DC/DC降压转换器可为MCU和外部元件供电，而其内部的LDO线性稳压器则可为栅极驱动器供电。 STSPIN32F0A集成了一个MCU（STM32F031C6），能够实现电机磁场矢量控制（FOC）、6步无传感器等其它先级的驱动算法。它还具有针对嵌入式闪存的写入保护和读出保护功能，以防止不必要的写入和/或读取。集成嵌入式引导装载程序（Bootloader），可以通过串口下载固件。 方案中的maxon EC-i 40马达采用优化的磁控电路，可提供很高的转矩密度（torque density）和非常小的齿槽转矩(Cogging Torque)。与maxon ENX 16 EASY 1024脉冲增量编码器组合使用，maxon EC-i 40可提供出色的卡考行、鲁棒性，适合高精密、高速的位置控制应用。 通过关键元件优化组合，该方案具有如下特点： 电压：36V（常态）、12V to 45V（全程） 最大电流：3A（直流）、3A（峰值） RS485最大速率：20Mbps RS485输入电压：±12V（差分）、7V to 12V（共模） 编码器输入：±7V（差分）、±7V（共模） 基于闭环定位功能的电机磁场矢量控制（FOC） RS-485接口的MODBUS通信协议 芯齐齐BOM分析 方案元件总数115个。芯齐齐智能BOM数据显示，STSPIN32F0A三相无刷电机控制器、STR485差分线路收发器、T1S14PHR降压型开关问稳压器、L78L33ABUTR线性稳压器来自意法半导体，AM26LV32E线路接收器由TI供应，其他元器件为通用产品。 STSPIN32F0A三相无刷电机控制器工作电压范围6.7V至45V，温度范围-40°C至+125°C，尺寸7x7mm2，采用49引脚QFN封装。 STR485是低功耗差分线路收发器，用于半双工模式下的标准rs485数据传输，可通过slr引脚可选择两种速度：20mbps高数据速率或250kbps慢数据速率，热关断电路会阻止驱动器输出进入高阻态，从而防止由总线争用或故障引起的功耗过大。 AM26LV32E是具有+/-15kV IEC ESD的低电压高速四路差动线路接收器，由四路差分线路接收器和三态输出组成。器件针对平衡总线传输进行了优化，开关速率高达32MHz。三态输出允许直接连接到总线组织系统。AM26LV32E具有内部故障保护电路，可防止器件在接收器输出端施加未知电压信号。在开放式故障安全，短路故障安全和终止故障安全中，在相应的输出端产生高状态。 ST1S14PHR是一款输出电流高达3A的降压型开关稳压器，5.5V-48V输入, 工作频率1MHz,采用HSOP-8封装。 L78L33ABUTR线性稳压器输出为3.3V／0.1A，ST-SOT-89封装。

Microsemi – SmartFusion2 SoC：用于安全关键应用的无传感器马达控制解决方案 对于安全具有关键性的应用来说，由于中断和相关的服务例程而导致缺乏确定性，因此使用微型控制器来实现马达控制的效果并不令人满意 此外，基于微控制器的实施方案无法处理超过一个马达，严重限制了其达到高性能 (在取样时间小于10μs和开关频率高于100kHz下达到数万RPM) 的能力。图1总结了现今使用微控制器的马达控制工程师所面对的大多数挑战，以及SmartFusion2 SoC FPGAs-based解决方案为设计工程师带来的价值。 使用美高森美SmartFusion2 SoC FPGA，用户可以选择各种替代方案： 1. 具有严格中断屏蔽控制的纯软件解决方案 2. 分区的硬件和软件解决方案，硬件用于处理马达控制算法的关键部分 3. 确保更快的速度和确定性实施的纯硬件解决方案 所有这些选项都是可调节的，用于控制单一或多个 (最多六个) 马达，在极小密度和小占位面积器件中采用多种算法。现今可以使用的算法包括：PMSM/ BLDC的无传感器FOC、使用霍尔的FOC、使用编码器的FOC、用于感应马达的VFD。 对于纯硬件实施方案，用户可通过Libero SoC获得完整的IP模块组合，涵盖Clarke和Inverse Clarke、Park和Inverse Park以及先进的PI控制器。此外，也提供转子位置GUI控制，用于马达配置以达到单一马达30KRPM，或者配置六个马达，使用时分多路复用算法在单一设备中并行运行。该GUI还可以显示来自FPGA器件的实时信号，这对于调试是非常有用的。 总括而言，美高森美坚固耐用的SoC SmartFusion2和Igloo2 FPGA器件具有较大的密度，允许设计人员在ASSP、CPLD或其它分立器件中结合马达控制实施方案和附加功能。这种高集成度进一步节省了BoM成本、减小了电路板空间、提升了系统的总体可靠性，并且简化了采购过程。 图中文字：速度参考、PI-速度控制器、PI-Iq控制器、IPark转变、SVPWM、PWM单元、逆变器Vdc、速度动作、速度计算、PI-Id控制器、角度估计、Park转变、Clarke转变、电流测量 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

       德州仪器研究开发涉及的领域有很多，其产品应用的领域也很广，下面是其几项重大的模拟技术应用领域： ·1.医疗电子器件，特别是用于个人诊断的设备 ·2.用于通信和娱乐设备的触摸反馈振动器 ·3.基于微控制器的数字电源控制 ·4.用于光伏版、便携式电池组、电子和混合电力汽车的电源管理(EV、HEV) ·5.智能电网、电力监控和家庭应用 ·6.先进的马达控制——更智能的算法、更好的驱动程序和场效应晶体管(FET) ·7.用于全程家庭音频系统设计的“Soundbar”电子器件 ·8.用于严酷环境装备的数据搜集电路和子系统，-55℃到210℃(绝对不是“日常”的电路板设计) ·9.超高速USB标准(USB 3.0)的收发器，通过将数据转移率推至5.0 Gsps(10×USB 2.0) 从而提高了功率效率，维护了反馈的兼容性，同时加强了数据转换的效率。

作者：飞兆半导体 Bok Keun, Song等 由于人类活动增加，地球正在变暖，全球气候正在改变。降低能源消耗，利用可再生能源和改进能效技术是减少温室气体排放的重要举措。 根据美国能源信息署(Energy Information Administration—EIA)的能源消耗报告，使用能源的四大领域为工业(31%)、运输(28%)，住宅(22%)和商业(19%)。 以一个满足“能源之星”的家庭为例，多达一半的能量用于加热与制冷。因此，节能减排的着眼点应更多地放在加热、通风和空调(HVAC)设备上。这类设备都涉及马达驱动系统。其它涉及马达控制系统的家电为洗衣机、冰箱等。马达控制系统的能耗估计占据家庭总能耗的50%以上。 表1  说明全球能源法规的发展趋势 表1：全球能源法规状态   如何提高马达驱动效率？ 为满足强制性能源法规要求，所有马达控制系统必须采用变频器。众所周知，变频控制与传统开/关控制比较可平均节省40%的电能。 几乎所有设备制造厂商都采用变频系统来提高能效。同时，半导体供应商也在开发集成和分立解决方案，包括功率模块――马达变频应用系统中的关键器件，器件内部集成半导体功率开关器件和驱动控制芯片。 设备制造厂商在决定如何改进变频器效率，减小板卡尺寸和成本的同时，还面临着设计周期缩短的压力。 为缓解设备制造厂商的担忧，选择集分立电路和IC于一体的功率模块是最佳的方案。 图1中的蓝色区域是驱动逆变马达的模块部分。     图1：采用Motion-SPMTM 产品的3相马达系统框图 家电制造商对变频系统有何需求？ 1. 提高可靠性 近年来，家电消费质保期延长成为一种市场趋势，这意味着必须提高设备的可靠性。 2. 设备小型化 另一个市场趋势是家电产品小型化，这意味着部件必须更小，包括变频器。 3. 提高能效(即最大限度地降低能耗) 随着设备尺寸变小，客户将面临功率器件的发热问题。如果设备尺寸变小，部件的功耗也必须减小。 飞兆半导体Motion-SPM产品 飞兆半导体公司正在针对这些问题开发模块化产品，即针对变频系统，特别是马达控制的智能功率模块Motion-SPM™。   图2：分立元件(左)产品对比Motion-SPM模块(右) 许多SPM产品投入量产，飞兆半导体推出了新开发的SPM产品，称为µMini-DIP SPM。 飞兆全新Motion-SPM产品(μMini-DIP SPM系列) 采用µMini-DIP 封装的Motion-SPM产品其主要设计目标是创建具有更高可靠性和最小封装的低功耗模块。这个目标通过应用三项技术来实现：新型三合一栅极驱动高压集 成电路(HVIC)，采用先进半导体技术的新型IGBT以及改进的陶瓷基底压注模封装封装。相比图3所示现有Mini-DIP SPM封装，新的µMini-DIP SPM封装能够减小24%的尺寸，并提高可靠性。   图3：mini-DIP 和μmini-DIP SPM封装尺寸比较 第二个重要的设计优势是针对每项应用提供专门的产品系列(in-product line-up)。采用µMini-DIP 封装的Motion-SPM产品的目标应用是家用电器(空调、洗衣机、冰箱和电风扇)中的变频马达驱动。 例如FNA4XX60 Motion-SPM模块专用于低开关频率(5kHz以下 )应用(如电冰箱和空调)，因为这类应用中IGBT的VCE(SAT)较低。 FNB4XX60 Motion-SPM模块则针对高开关频率(5kHz以上)应用(如洗衣机，洗碗机和电风扇的马达驱动)，因为这类应用中IGBT/FRD的开关损耗(ESW(ON), ESW(OFF))较低。客户可选择最适合其设计规范要求的产品。 如图4所示，就FNA41560和 FNB41560而言，开关频率交叉点在13 kHz处。这意味着FNA型适合于开关频率在13kHz以下的设备，如空调的压缩机驱动。而FNB型则适合于开关频率在13kHz以上的设备，如洗衣机。 图4：有效负荷电流比较                                          图5：μMini-DIP封装的散热仿真 第三项设计优势是把用于测量功率芯片(如IGBT， FRD)温度的NTC热敏电阻集成在同一基片上。大多数客户都想知道功率芯片的精确温度，因为这个参数关系到设备的质量、可靠性和使用寿命。但这个愿望往 往受到限制，因为模块内集成的功率芯片(如IGBT， FRD)在高压环境下工作。因此，只能使用外接NTC热敏电阻来测量模块或散热片的温度，而不是直接测量功率芯片的温度。虽然这种方法不能准确反映功率部 件的温度，但却是一个简单而且具有高成本效益方法。但是，µMini-DIP SPM封装的NTC热敏电阻与功率芯片都集成在同一陶瓷基片上，因而能够更精确地测量功率芯片的温度。 第四项设计优势是备有各种类型的引脚选项。 图6-1：可选μMini-DIP封装引脚(短引脚)   图6-2：可选μMini-DIP封装引脚(长引脚) 总结 飞兆半导体针对高效变频马达驱动和节能设计提供丰富的Motion-SPM产品系列，还为这些产品配备了马达控制设计工具（Motor Control Design Tool），此工具可为马达控制设计人员提供高效的计算方法，计算飞兆Motion-SPM模块中的功率损耗和温升。这款工具可用于变频驱动应用的三相逆 变正弦调制，以驱动永磁同步马达(PMSM)和交流感应马达。 能源法规正在提高全球的节能意识。对于马达驱动类的家用电器而言，变频技术是实现高能效的正确解决方案。因而，采用Motion-SPM产品是实现变频家电的最佳途径。 特别强调的是，µMini-DIP SPM封装为变频系统实现高效率、小板卡尺寸和低成本提供了更大的优势。 表2： µMini-DIP SPM系列产品