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高壓電機控製係統的設計

在現代機器人設計中，頭部、頸部、四肢的任何活動都需要各種各樣電機的支持，如傳統的旋轉電機、步進電機、直線電機和其它特殊電機，但這些電機的驅動和控製要求各有不同，如何實現各種電機的精確控製解決方案？如何以最低的功耗實現對它們的控製？常常對設計師來說是一大挑戰。本文將詳細地討論高壓電機控製係統的各核心子係統在具體實現時應注意哪些問題。

高壓交流（HVAC）電機、工業逆變器或高壓永磁無刷電機是高電壓係統的幾個例子，它們典型地按他們的馬力進行分類。雖然仍是最常見的，但其他類型電機也已經出現，如直線電機和內嵌各種激勵器實現的齒輪頭電機。數字電機控製解決方案允許精確地控製這些機械驅動機構的位置、速度和轉矩。在這類大型機械驅動機構中的MOSFET通常容量超過600V。

例如，TI有柵極驅動解決方案TPS2829，一個同相高速MOSFET驅動器。當結合反饋環路中的TLV3501比較器時，這些係統中的柵極就可以進行數字控製。另外，TI的MOSFET驅動器（如UCC37321或UCC37323）可以直接驅動小馬達或驅動功率器件，如MOSFET或IGBT。

高壓電機控製係統的主要設計考慮因素

高壓電機控製係統的核心子係統包括：控製器、隔離、控製器接口和運動反饋。

控製器：TI還提供一係列的控製處理器解決方案，從超低功耗MSP430微控製器到TMS470基於ARM7的處理器和C2000數字信號控製器（DSC）。恰當的控製器可以優化電機驅動效率，提高可靠性和降低整體係統成本。C2000控製器的32位DSP水平的性能和針對電機控製優化的片上外設使用戶可以輕鬆地實現先進的算法，如三相馬達的無傳感器矢量控製。C2000係列控製器（從低成本F28016到業界首個浮點DSC TMS320F28335）都保持軟件兼容。

隔離：TI的數字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩衝器，它們采用二氧化矽進行隔離，提供4kV的隔離能力。與隔離電源結合使用時，這些器件可以阻隔高電壓，隔離地，並防止噪聲電流進入本地地，以及幹擾或損壞敏感電路。

控製器接口：RS-232或RS-422對許多係統而言足夠用了。RS-485信令可能會捆綁一些協議，如Profibus、Interbus、Modbus或BACnet，每個針對最終用戶的特定需求。有時，控製器局域網（CAN）或EtherNet/IP（工業協議）優先用於滿足聯網要求。M-LVDS是可以提供更低功耗的一種替代選擇。

使用外部電路的運動反饋：隔離的Delta-Sigma調製器（AMC1203/AMC1210）非常適合用於分流測量，以拉平毛刺和增加電流反饋分辨率。此外，INA19x（x=3到8）和INA20x（x=1至9）為低端和高端電流分流監測提供很寬的共模電壓。

霍爾效應或磁傳感器通常在測量超過10A的電流時更有效率，而且他們可固有地提供隔離能力。ADS1204、ADS1205和ADS1208是3個推薦器件。為了將±10V（20Vpp）信號連接到采用3.3V或5V電源的ADC上，可使用一個INA159電平差異放大器。像ADS7861/ADS7864或ADS8361/ADS8364的ADC可提供4通道或6聲道的同時電流取樣。