一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能系統(tǒng)的電驅(qū)動器技術(shù)解析

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

機(jī)器和設(shè)備的自主移動一直是人類的夢想。過去的夢想實(shí)現(xiàn)了，這要?dú)w功于對機(jī)械充滿熱情的天才機(jī)械的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。當(dāng)然，今天的技術(shù)允許在宏觀力學(xué)和微觀力學(xué)領(lǐng)域中使用高度復(fù)雜的驅(qū)動器。這些驅(qū)動器廣泛用于工業(yè)和民用應(yīng)用中（見圖1）。它們涉及一個(gè)稱為執(zhí)行器的動力機(jī)構(gòu)，該動力機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生受其他機(jī)械或電子設(shè)備控制的機(jī)械功。為了確保高質(zhì)量的工作，必須配備高質(zhì)量的電動機(jī)驅(qū)動器。一些解決方案包括使用集電電動機(jī)，異步電動機(jī)，同步電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)和磁阻電機(jī)。它們各自具有特定的特性，具體取決于系統(tǒng)本身執(zhí)行的目的。自動化領(lǐng)域還包括運(yùn)動控制，它以受控方式研究機(jī)器運(yùn)動部件中涉及的子系統(tǒng)。在開環(huán)系統(tǒng)中，控制器通過放大器將命令發(fā)送到電動機(jī)，但它不會意識到運(yùn)動。但是，在閉環(huán)系統(tǒng)中，控制器會收到有關(guān)系統(tǒng)測量值的答案，以進(jìn)行更正并補(bǔ)償任何錯(cuò)誤。

電動起子

它是由電動機(jī)，電源電路以及命令和控制電路組成的系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)軸的扭矩，速度或位置。

驅(qū)動器可以具有不可調(diào)節(jié)的速度和可調(diào)節(jié)的速度。前者利用了發(fā)動機(jī)的固有特性。后者允許對能源及其完成的工作進(jìn)行明智和經(jīng)濟(jì)的管理。速度變化以不同的方式發(fā)生。

運(yùn)動控制

它沒有描述特定的機(jī)械或電子組件，而是代表一組單獨(dú)的組件，它們一起工作以在機(jī)器或系統(tǒng)中產(chǎn)生受控的運(yùn)動?！?/p>

關(guān)鍵組件通常包括：

• 運(yùn)動控制器；
• 具有放大能量目的的驅(qū)動器；

執(zhí)行器

控制器是在控制系統(tǒng)中充當(dāng)“大腦”的電子設(shè)備。所用控制器的數(shù)量根據(jù)需要控制的各個(gè)過程的數(shù)量而有所不同。對于復(fù)雜的系統(tǒng)，可能會有許多控制器。這些控制器中的每一個(gè)都可以向電動機(jī)發(fā)送命令，并同時(shí)從執(zhí)行器本身接收指令。驅(qū)動器充當(dāng)控制器和電機(jī)之間的中介。它解釋來自控制器的信號，并提供正確的功率水平以轉(zhuǎn)發(fā)給電動機(jī)，以獲得所需的運(yùn)動。運(yùn)動控制系統(tǒng)中使用的電動機(jī)可以采用多種形式，并可以用于各種應(yīng)用。它們的主要功能是接收電輸入并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動。

執(zhí)行器

運(yùn)動控制的最終目標(biāo)是對執(zhí)行器執(zhí)行物理動作，該動作將按照應(yīng)用程序要求的術(shù)語和方式進(jìn)行重現(xiàn)（參見圖2）。無需深入探討該主題，可以通過以下方式執(zhí)行驅(qū)動器：

• 步進(jìn)電動機(jī)，其工作方式與普通電動機(jī)類似。磁鐵的內(nèi)部布置使軸可以單步旋轉(zhuǎn)。例如，步進(jìn)電機(jī)的完整匝數(shù)可分為1個(gè)度數(shù)的360個(gè)步數(shù)。這樣，內(nèi)軸的定位非常精確。
• 線性執(zhí)行器，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動；
• 伺服器，可精確控制角度運(yùn)動。

智能驅(qū)動程序

當(dāng)然，技術(shù)正在取得長足進(jìn)步，并且該部門也受到了很大的影響。新的尖端，功能強(qiáng)大的產(chǎn)品可帶來旨在提高效率，尤其是安全性和舒適性的結(jié)果。新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速精確的定位，以及在智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中同步的動態(tài)運(yùn)動。另外，這些系統(tǒng)不是彼此獨(dú)立的，而是與其他組件通信，以允許在一般系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行信號處理和集成測量。如今，可以執(zhí)行非常逼真的動作，從而使人機(jī)與人造機(jī)器之間實(shí)現(xiàn)了完美的互動。

效率

該測量表示電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率。高效率對應(yīng)于較低的電力消耗價(jià)格。

扭力

扭矩在選擇發(fā)動機(jī)時(shí)也起著決定性的作用。它比功率更重要，因?yàn)樗硎景l(fā)動機(jī)在所有轉(zhuǎn)速下都能保證的性能。

擺脫

浪涌電流是一個(gè)在任何領(lǐng)域都不能忽視的問題。當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動時(shí)（以及在涉及打開和關(guān)閉的任何過渡階段），電動機(jī)吸收的電流甚至比正常穩(wěn)態(tài)電流大十倍。起點(diǎn)導(dǎo)致系統(tǒng)問題。實(shí)際上，有必要將電源線的尺寸和開關(guān)的尺寸設(shè)置為比正常操作所需的尺寸大得多的值。因此，有幾種方法可以嘗試減少此問題。例如，許多設(shè)備使用可變的阻抗和電阻，或者它們可以輕柔地啟動，然后逐漸增加工作條件。逆變器在能量分配中也起著非常重要的作用。

啟動引擎

要使電動機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，啟動扭矩必須大于阻力扭矩。最初，當(dāng)轉(zhuǎn)子停止并提供電壓時(shí)，它處于短路狀態(tài)，并且在最初的瞬間，它會吸收來自電源線的最大電流。

速度設(shè)定

自動化管理中最關(guān)鍵的方面之一是能夠不斷改變執(zhí)行器產(chǎn)生的功的特性。如果一方面該操作看起來無害且簡單，另一方面卻極其微妙，系統(tǒng)的特性和響應(yīng)就取決于此。在理想情況下，輸入能量（Ei）和輸出能量（Eu）相同。比率：Eu / Ei提供了效率水平。在理想情況下（零損耗），它等于1，但實(shí)際上這是無法做到的。

表1：電路效率表

圖3：一種可以改變發(fā)動機(jī)速度的方式

它也可以表示為百分比。例如，假設(shè)以最自然的解決方案降低電動機(jī)的速度，即在線路上插入一個(gè)電阻元件以降低傳輸電流（請參見圖3）。該解決方案是最糟糕的解決方案之一，因?yàn)槲词褂玫墓姆浅４蟆?/p>

表格還以圖形方式顯示在圖4中，該表格顯示了與通過電流的障礙物質(zhì)量有關(guān)的效率下降趨勢。必須說，通過使用變阻器，可以在降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)獲得非常低的扭矩。實(shí)際上，如果電阻值過大，則電動機(jī)也可能在重負(fù)載下停止，或者在初始負(fù)載過大時(shí)甚至無法啟動。

圖4：變阻器電路改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的效率圖

為了克服該問題，可以使用齒輪和減速器，以保持較高的電動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)矩，并成比例地降低機(jī)械負(fù)載的速度。如果要在不影響系統(tǒng)強(qiáng)度的情況下降低轉(zhuǎn)速，則可以使用PWM控制器來改變電動機(jī)上的電壓。

實(shí)際上，大多數(shù)小型直流電動機(jī)都設(shè)計(jì)為以高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，因此，對于要求低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用，PWM通常是最佳選擇。

使用此技術(shù)可確保最大的轉(zhuǎn)矩脈沖，這使您可以在極低的速度下以很大的力來驅(qū)動電動機(jī)。PWM是一種通過快速打開和關(guān)閉電子設(shè)備的電源來生成可變電壓的方法（請參見圖5）。借助PWM，您可以設(shè)計(jì)用于優(yōu)化電源的放大器或逆變器。在單個(gè)周期內(nèi)，平均電壓取決于信號占空比，即取決于信號接通的時(shí)間量與信號斷開的時(shí)間量。開關(guān)解決方案是實(shí)現(xiàn)高能效功率放大的最佳解決方案之一，該功能可帶來高功率傳輸。

圖5：PWM如何工作

該技術(shù)的效率非常高，通過查看圖6的應(yīng)用方案，可以了解各種系統(tǒng)之間的差異。讓我們研究四種不同的配置，其中有意使用50％的能量為負(fù)載供電：

• a）在此圖（左上）中，負(fù)載未受到脈沖串的作用，而是受到了等于電源一半的固定電壓的作用。得益于在線性區(qū)域工作的晶體管的極化，可以實(shí)現(xiàn)控制。散熱非常高，效率為49％；
• b）在第二個(gè)示意圖（右上方）中，晶體管的行為就像一個(gè)開關(guān)元件，由組件“基極”端子上的脈沖信號驅(qū)動。解決方案的效率非常高，大約為85％。
• c）第三個(gè)原理圖（左下）提供了使用普通功率MOSFET（IRF530）的條件。電路效率非常高，大約為97％；
• d）第四個(gè)原理圖（右下）使用一種新技術(shù)，即SiC Mosfet作為引導(dǎo)組件。效率非常高，超過99％。來自電源的幾乎所有能量都以非常低的損耗傳遞給負(fù)載。

圖6：PWM使您可以非常高效地調(diào)整負(fù)載的功率

因此，PWM并不等同于向負(fù)載施加固定電壓。扭矩由平均電流確定。由于較小的線圈電感，小型電動機(jī)的效率在相對較低的PWM頻率下降低。當(dāng)電感較小時(shí)，電流跟隨PWM信號，與電流相比增加了散熱。阻尼會降低扭矩，同時(shí)會產(chǎn)生更多的熱量。因此，較高的PWM頻率可提高效率。較大的電動機(jī)具有較高的電感，即使在較低的PWM頻率下，效率也更高。

驅(qū)動程序和動力控制

前面段落中的圖清楚地表明，無論使用哪種技術(shù)，都必須使用功率設(shè)備來控制電動機(jī)（任何類型）。驅(qū)動器必須提供高電流，這對于操作電動機(jī)以及采用正確的命令可編程性，速度或加速度是必需的。它們的設(shè)計(jì)必須具有很高的精度和魯棒性，因?yàn)樗鼈円部梢杂糜诠I(yè)用途。因此，必須對它們進(jìn)行電流保護(hù)，并用有源和無源散熱器進(jìn)行冷卻。電路中使用的功率MOSFET必須至少能夠承受電源電壓和電機(jī)所需的最大電流。擁有大型Mosfets總是更好。還使用“預(yù)驅(qū)動器”電路，因?yàn)樗鼈兪褂?a target="_blank">線性穩(wěn)壓器，電荷泵和自舉電容器在內(nèi)部生成柵極驅(qū)動電壓。高級微系統(tǒng)（AMS）CMAX-410的運(yùn)動控制系統(tǒng)，在所示圖7。

圖7：Advanced Micro Systems CMAX-410運(yùn)動控制系統(tǒng)

它提供了用于控制4 A步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的集成解決方案。它可以由用戶獨(dú)立編程，也可以由中央主機(jī)控制。它通過工業(yè)連接器發(fā)送電動機(jī)和控制信號。所有運(yùn)動控制系統(tǒng)均提供可編程電流，保持電流，微步進(jìn)模式，速度，加速度等。它是專門為減少電氣干擾和最大程度地提高安全性而設(shè)計(jì)的。已通過CE認(rèn)證。

結(jié)論

旨在用于運(yùn)動控制和驅(qū)動的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無疑是一件令人著迷且極為精致的事情。它涉及不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，例如物理，電子，電力等。世界上最好的公司的設(shè)計(jì)師每天都做出巨大的努力，以創(chuàng)建非常有效且尤其是安全的系統(tǒng)。

編輯：hfy