几种创新方法简化电机控制设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
为了实现高效的电机应用,人们需要全新和成本效益型的调控解决方案,于是新型的专用微控制器应运而生。此类微控制器典型地整合了8位计算引擎、模数转换器 (ADC)、比较器、计算器、计时器以及其他电路,便于变换电流方向并根据无刷直流电机负载的功率要求调整电机的速度。尽管这些整合性的电机控制器芯片使得许多应用产品的成本降低,特定方案所需的其他部件的数量依然变化很大,而这取决于电机控制应用产品设计中将考虑采用何种控制器。   ZiLOG推出了带有闪存的8位微控制器--Z8 Encore! MC系列,专门针对无位置传感器三相无刷直流和三相交流感应电机控制产品。Z8 Encore! MC 提供 16KB 闪存 (Z8FMC16100)、8KB 闪存 (Z8FMC08100) 或 4KB 闪存 (Z8FMC04100) 等存储选择,还提供一系列广泛的片上功能,可减少对外围部件的需求,并为电机控制应用产品显著降低原料成本。Z8 Encore! MC 系列器件能够提供更加精确地控制电机速度的方法,并且有效地将无刷直流电机控制设计进行简化,同时提供众多先进和可定制的终端产品功能。   [b]用于控制速度的"时戳" [/b]  闭合回路系统中的大多数控制器采用至少一个专门的比较仪,来探测反电动势信号的零交叉点,从而使输出的驱动脉冲得以调整,以便适当调节电机的速度。通过采用模数转换器取代比较仪与计时器的共用,基于 ZiLOG 的 Z8 Encore! MC 电机控制 MCU 系列的实现方法取消了对比较仪的需求。在这种情况下,模数转换器通过在后台运行计时器而对反电动势电压进行取样。   一旦模数转换器对反电动势零交叉点进行取样,计时器就会读数。读出的数据记录在寄存器中,并反过来提示计时器输出 PWM 脉冲,以便有效地调整电机速度。这种"时戳"方法形成了用于闭合回路速度控制的更简单、更具成本效益的系统。   [b]故障反应 [/b]  在无刷直流电机驱动的设备中,不同原因都可导致电流过大的故障,除非安全设施设计十分完善,否则这些故障有时会带来破坏性影响。电机绕组短路、电机引线的短路、机械驱动和联接问题、转子卡壳、电力设备抛锚或熄火以及其它很多问题都可能发生。其中一些问题是永久性的,另一些则只是临时性的。任何问题引起的电流过大状况都一定会导致电机中止。保护电路必须迅速反应,但并不是要在发现故障时全面触发整个系统的关闭,而应实行 PWM 输出的实时停止,直到不再发现故障情况才恢复正常运行。在这种情况下,如果持续存在电流过大的状况,才需要全面关闭系统。   为检测电流过大的情况,电机控制微控制器整合了输入元件(如比较仪)。在大部分情况下,电流信号是发送到模数转换器中的。由于在输出阻止 PWM 信号之前,数据处理需要一些时间,这种方法有一个较大的缺点。反过来说,最终的数据处理反应时间可能会在下一轮转换周期之后延迟关闭系统,从而造成严重的损坏。   为避免因模数转换器造成的处理延迟,PWM 模块直接与一个电流过大比较仪连接,从而保证系统关闭能真正以实时模式实现。这种方法不仅改善控制器的故障感应能力,同时规避了传统方法的一个弱点。即,如果控制器时钟即将停止工作,此时为应对电流过大故障而关闭系统不会带来危险,但如果牵涉到系统的模数转换器就会有危险。   [b]感应配置减小了对时间的依赖性 [/b]  设备控制器几乎总是依靠经由绕组感应电流,使用传感器和无位置传感器技术,而与模数转换器协力来监控电机的速度。一般情况下,模数转换器所取的样本与 MCU 所取样本同步。   在此过程中,模数转换器对产生的信号取样并将结果传送给处理器。而处理器则将综合 PWM 的换流输出以控制电机速度。 图注:ZiLOG 电机微控制器整合了设备中驱动多相电机和单相电机所需的所有逻辑和输入/输出功能   感应、处理和调节电机速度的更好方法仍然存在,在提供异步操作的同时,使数据处理费用降至最低。在这种配置中,通过在片上集成运算放大器和一个取样与控制模块,用来当作"保持"时间的周期间输入信号值,这样取样结果就可用于优化中央处理器的处理周期,而且不要求正好与输入信号同步。此外,ZiLOG Z8 Encore! MC 微控制器对运算放大器的片上整合降低了总体的系统成本。该目标的实现进一步证实了电机控制8位微控制器的高效和强大的特性,即拥有足够的成本运行应用产品的多种具体功能--例如控制显示、指挥和监控设备程序、探测并标明服务问题--与此同时也不断保持电机能耗的最佳值。

关键字:电机控制  设计

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