高壓電機控制系統的設計考量

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制要求各有不同，如何實現各種電機的精確控制解決方案？如何以最低的功耗實現對它們的控制？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制系統的各核心子系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系統的幾個例子，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。數字電機控制解決方案允許精確地控制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，這些系統中的柵極就可以進行數字控制。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。

高壓電機控制系統的主要設計考慮因素

高壓電機控制系統的核心子系統包括：控制器、隔離、控制器接口和運動反饋。

控制器：TI還提供一系列的控制處理器解決方案，從超低功耗MSP430微控制器到TMS470基于ARM7的處理器和C2000數字信號控制器（DSC）。恰當的控制器可以優化電機驅動效率，提高可靠性和降低整體系統成本。C2000控制器的32位DSP水平的性能和針對電機控制優化的片上外設使用戶可以輕松地實現先進的算法，如三相馬達的無傳感器矢量控制。C2000系列控制器（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沖器，它們采用二氧化硅進行隔離，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，并防止噪聲電流進入本地地，以及干擾或損壞敏感電路。

控制器接口：RS-232或RS-422對許多系統而言足夠用了。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，控制器局域網（CAN）或EtherNet/IP（工業協議）優先用于滿足聯網要求。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調制器（AMC1203/AMC1210）非常適合用于分流測量，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。