使电机驱动设计简单

2019-04-17 16:31:36 来源:安森美
随着越来越多的行业接受自动化可提供的优势,电机及其驱动控制的市场继续扩大。设计人员面临不断缩短的开发周期,同时也面临着创新的挑战,这使得选择合适的电机控制系统至关重要。  
 
据Grand View Research 1,到2025年,全球电机市场将达到1,550亿美元。有几个领域正在推动这一扩张,包括制造业内的自动化。电机、执行器及其控制器是这些系统的关键器件。所有大车厂都专注于一个不断扩大的电机市场领域,推进电动汽车(EV)的发展。最新的“2018年全球电动汽车展望”(Global EV Outlook 2018 survey2)预估推断:2017年,全球电动汽车销量超过100万辆(110万辆),中国占全球40%的份额。IEA还预测,到2030年,电动车销量将达到2.2亿辆。
 
电机控制系统是确保以最大能效运行以实现低功耗的关键。开发系统以满足一些基本的要求对于电机控制工程师越来越重要和迫切。这包括尽量减少能耗和损耗,并降低对环境的影响,同时仍然提供高度的灵活性和强固性,以满足高要求的应用。
 
开发挑战

所有的电机都是基于相同的原理,当电荷施加在线圈(定子)上时,它就成为了一个电磁铁。定子位于具有相反极性的磁铁场内,形成转子。当对电磁铁的电荷被迅速切换时,使用一种叫做换向器的装置,电机的轴可以旋转。这是电机输出的基本机械能,随着电机技术的发展,各种电机设计应运而生并得以完善。
 
如今有几种类型的电机,通常称为直流(DC)或交流(AC)电机。交流电机要么是同步的,要么是异步的(通常称为感应电机),其基本区别是同步交流电机需要直流电源来为转子绕组供电,而异步电机则不需要这种额外的电源。对于自动化应用,可变磁阻交流电机是常见的,因为这可以作为基础的步进电机。直流电机(通常是无刷直流电机BLDC)变得非常流行,因为它们可以提供高能效。无刷直流电机中的永磁体放置在转子上,而电磁铁则驻留在定子上。步进电机是直流电机的另一种设计,因为它有一个由几个磁铁组成的转子,类似于齿轮上的齿。这使得电机的角度可以被精细地控制,以实现所需的机械输出。
 
步进(单极或双极)电机,有刷直流电机和伺服电机是最常见的自动化应用,可见于汽车设计和机器人中。异步(感应)和同步(永磁)电机也是常见的,是强固的和典型的低成本。电机类型用于任何给定应用现已发展到这样一种程度,有许多可供设计人员选择的配置选项。随着控制单元与电机类型和应用高度匹配,数字控制正日益流行。如压缩机或泵等需要以每秒特定转速运转的电机速度,可以使用数字控制系统更精确地控制。数字控制系统对变速电机也是有效的,其速度与频率成正比。需要理解的重要因素是,随着电机应用的发展,它们的控制系统也必须发展。开发人员需要一个高效、灵活的电机控制设计环境,该环境提供了一套工具,以促进迭代设计和快速原型开发。
 
新方案


随着电机应用的增加,采用直流电机的开发人员将受益于可作为设计基础的灵活的控制机制。通常在没有实际电机的情况下进行设计,负责创建高能效电机设计的工程师需要一个他们可以信赖的灵活的开发环境。安森美半导体的电机驱动模块方案套件(LV8548MCSLDGEVK)为电机设计人员提供了一种新的、直观的方案以构建控制系统,包括全桥双刷直流和单双极步进电机的基本正向、反向和制动模式。目前有三个版本的电机驱动模块,包括步进和有刷直流电机;另外两个版本计划在2018年年底前发布,涵盖BLDC电机控制。每个模块只需插入基板,为开发人员提供了一个灵活的电机控制设计环境。
图1:安森美半导体的电机驱动器模块方案套件
 
插件电机驱动模块提供预先设计的硬件作为模块,基于开放源码架构,可随时进行定制。主机PC与Arduino MICRO* 1之间的USB联接使DC电机能使用串行通信控制。开发环境包括运行Arduino IDE 1.8.4的Windows PC、基板和AC适配器,输出电压4V至16V,输出电流约2A。该软件包括一个应用编程接口(API)库和对设计人员最重要的强大的图形用户接口(GUI),能自动生成Arduino代码,可导出为Arduino Sketch (.ino)文件。此代码也可以与Arduino IDE一起使用。
 
图2:自动生成草图代码
 

GUI支持每个电机驱动器IC和各种电机类型,如无刷直流、步进和有刷直流。该驱动生成器的一个关键属性是具有高度的直观性。
 
图3:图形用户接口(GUI)窗口
 

设计人员在创建控制系统时可以在屏幕上获得提示和帮助,而全面的API库提供详细的功能,可集成到电机驱动器中进行测试

 
图4:GUI工具提示显示
 

由于开发套件可支持基于不同类型电机的设计,用户可以看到安森美半导体的电机方案GUI为与所用电机类型相匹配而改变。GUI支持简单的参数设置和电机驱动器IC的配置,而不需要经常参考说明书。实际应用是,开发人员可以在没有深入了解所用电机的情况下进行设计。这加速了电机控制的设计进程,得益于一个快速高效的开发环境。例如,仅通过设置目标速度,就可以使用电机驱动API函数库“setTargetDrive()”来控制LV8548有刷直流电机控制驱动器。

 
对于设计人员,使用LV8548MC通过Arduino微型计算机可达到的控制水平是非常重要的,提供先进的调试功能,无需任何额外的软件工具。这一点很重要,因为开发工程师可以在很短的时间内使用现成的器件来构建其控制器的工作原型。自动化的潜力几乎是无限的,如这篇博文演示的一个采用机器人手(http://www.onsemi.cn/community/blog/post/Robotic-Hand-Demo-with-Motor-Driver-Solutions-Kit)的项目。


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