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作者:李盛培 公司:骏龙科技 随着工业技术的迅猛发展,业界对电机驱动系统的定位精度、转速平滑性、稳定性等有更高的要求,因此开发新一代全数字化交流电机驱动器十分有必要。本文着重于电机驱动控制器的硬件设计,为大家进行相关功能模块电路设计提供思路。ADI以系统级的角度为电机驱动提供了完整的方案。ADI方案着眼于最高的系统性能和业界领先的集成度,具备最佳的系统效率、可靠性和连接性。 电机驱动器硬件设计驱动控制器硬件可分为主功率电路和控制电路两个部分:主功率电路主要以整流、逆变为主;控制电路主要以微控制器为核心,还有功率驱动电路、电压电流位置检测、通讯模块。其总体结构如下图 (图1) 所示:
图1 总体硬件结构图 微控制器模块 ADI开发的ADSP-CM4xx DSP处理器采用ARM Cortex M4内核,集成了非常高精度的ADC、数字化的加速器、滤波器、SRAM和闪存,同时还具有丰富的外设。ADSP-CM4xx DSP处理器主要适用于要求高性能的实时控制场合,尤其适合对电机驱动控制场景。下图 (图2) 为ADSP-CM4xx结构展示:
图2 ADSP-CM4xx结构图 功率驱动电路设计 功率驱动电路以IGBT为核心器件,DSP输出PWM信号隔离驱动IGBT,实现对功率电路的控制。目前市场上IGBT驱动常以光耦隔离驱动为主,ADI推出了iCoupler® 数字隔离器驱动器。 与传统的光耦隔离相比,iCoupler®数字隔离能让设计人员摆脱光耦合器的成本、尺寸、功耗、性能和可靠性限制,从而在设计中实现隔离。磁性隔离产品安全可靠且易于使用,是光耦合器的理想替代产品。它具有最高抗扰性、最低EMI和最高抗电涌能力,适合用于高噪声、恶劣、不可预测的环境中。 ADI磁隔离IGBT驱动器的特性ADI隔离技术采用磁隔离方式,具有较强的电气隔离特性和驱动能力,符合工业自动化的安全性和鲁棒性要求。ADI磁隔离IGBT驱动器可发挥光耦或脉冲变压器的性能和可靠性优势,具有以下特性: 1、50ns最大传播延迟 2、小于5ns通道间匹配 3、400Vrms工作电压下的50年工作寿命 4、单封装电流隔离 ADI ADuM4224的特性
以ADI的ADuM4224为例,它正是采用了iCoupler®技术的4A隔离式半桥栅极驱动器,提供独立且隔离的高端和低端输出,其特性如下: 1、5000Vrms隔离 2、两个独立的隔离通道 3、采用3.0V – 5.5V电源电压工作 4、与低压系统兼容 与采用高压电平转换方法的栅极驱动器相比,ADuM4224的输入与各输出之间具有真电流隔离优势。相对于输入,各路输出的持续工作电压最高可达560 VPEAK,因而ADuM4224支持低端切换至负电压。高端与低端之间的差分电压最高可达800 VPEAK。ADuM4224驱动电路如下图 (图3) 所示:
图3 ADuM4224 驱动电路图 电流检测 电机电流的反馈是实现电机驱动控制算法的核心参数,因此电机电流的采集至关重要。电流属于功率回路参数,采集电流信号需要控制回路隔离。一般用霍尔采样方式进行采集,但该方式体积大、精度低,难以实现更高精度的要求。 ADI的ADuM7703隔离式 Σ-Δ 调制器可将模拟输入信号转换为高速 (最高频率为 20 MHz)、单个位数据流;调制器输出每个位数据的平均时间与输入信号直接成正比。下图 (图4) 显示使用ADuM7703在模拟输入、电流检测电阻、分流器和数字输出之间提供隔离的典型应用电路,数字滤波器将对数字输出进行处理,以提供N位字。
图4 电流采样电路 位置检测 为了实现精确定位,必须有较高的位置闭环控制,因此需要采集电机的位置状态信息。通常采用灵活配置分辨率的方案来获取最准确的位置信号。ADI推出的AD2S1210是一款旋转变压器数字转换器,能够随时随地改变其分辨率。 ADI的AD2S1210为集成的解决方案,内部包括了振荡器,可调节频率,可调节电平,模拟输入信号带宽,还内置故障检查等功能。基于AD2S1210设计能用更少的外围设计出高级的功能。位置采集电路如下图 (图5) 所示:
图5 位置采集电路图 通讯接口模块 电机驱动器的通讯接口一般有工业以太网、RS485/422、CAN这三种类型。ADI推出了一系列隔离式 RS485/422、CAN接口芯片可供选择,主要有ADM2587、ADM3053等,该类隔离接口还集成了隔离式电源,能简化系统设计。在工业自动化系统中,工业以太网接口已成为主流,ADI的FIDO5200和TMC8462是当前解决方案的参考首选。 平台搭建及实验结果本文主要基于ADI的DSP、隔离驱动、以及电流位置反馈为核心设计,骏龙科技的技术人员以评估板AD-FMCMOTCON2-EBZ为平台搭建系统测试性能。AD-FMCMOTCON2-EBZ是 FPGA 夹层卡 (FMC) 板上一款完善的性能优良的电机系统。 用基于Mathworks模型的设计集成系统建模和设计理念,它能够提供完整的电机驱动系统,实现三相PMSM和电机的高效和高动态控制,并支持用户针对高性能电机系统快速建模和实现电机控制算法。电机驱动器实物如下图 (图6) 所示:
图6 电机驱动器实物图
实验结果如下图 (图7) 所示,系统能较好地跟踪输入,具有良好的动态性能和稳态精度。
图7 实验结果 总结 本文介绍了电机驱动器的硬件结构,以及主要功能模块的ADI实现方案,并在ADI方案平台下进行了测试验证,效果良好。欲了解更多技术细节和ADI相关方案,您可联系骏龙科技各地办事处。骏龙科技的技术人员愿意为您提供更详细的技术支持。 参考文献 [1] 直线电机电机驱动控制器研究与实现 | 李盛培 [2] 电机驱动控制器 | 中国科学院自动化研究所 [3] SPARK-Ⅱ转鼓及控制棒驱动机构交叉冗余伺服驱动控制系统的设计 | 刘磊 马少君 袁建东 王禺林 康永 [4] 交流伺服电机驱动控制器单元电路的设计分析 | 高菊玲 [5] ADI | CN-0276 | 高性能、10位至16位旋变数字转换器 [6] ADI | CN-0196 | 使用隔离式半桥驱动器的H电桥驱动电路 骏龙电子公众号 骏龙科技官方网站
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