軟件和硬件是所有電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，如IGBT、WBG半導(dǎo)體和MCU。工業(yè)4.0的發(fā)展高度依賴于電機(jī)控制，但能源消耗問題日益嚴(yán)峻，同時(shí)需求和設(shè)計(jì)復(fù)雜性也在增加，因?yàn)樵S多電子技術(shù)需要嚴(yán)格的控制要求，寬帶隙(WBG)材料就是一個(gè)例子。

　　從功能角度看，電機(jī)控制包括多個(gè)層級(jí)。例如，運(yùn)動(dòng)控制需要執(zhí)行非常復(fù)雜且計(jì)算密集的控制算法。電機(jī)控制涵蓋了廣泛的應(yīng)用范圍，從簡(jiǎn)單的風(fēng)扇和泵控制到復(fù)雜的工業(yè)控制問題，包括機(jī)器人和伺服機(jī)制。這里，我們來看看電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。

　　電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

　　直流電機(jī)是最常見的，因?yàn)樗鼈兏阋耍啥ㄗ?固定部分，即永久磁鐵)和轉(zhuǎn)子(移動(dòng)部分)組成，轉(zhuǎn)子上有與換向器相連的繞組提供電流。通過調(diào)節(jié)直流電來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。為此，根據(jù)應(yīng)用的性質(zhì)，使用全橋、半橋或降壓轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。

　　交流電機(jī)基本上由一個(gè)變壓器組成，初級(jí)部分連接到交流電壓，次級(jí)部分傳導(dǎo)感應(yīng)的次級(jí)電流。基于微處理器的電子設(shè)備、逆變器和信號(hào)調(diào)理用于控制這種電機(jī)的速度。

圖1：電動(dòng)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制的框圖

　　控制器是一個(gè)在控制系統(tǒng)中充當(dāng)“大腦”的電子設(shè)備。使用的控制器數(shù)量取決于需要控制的單個(gè)過程的數(shù)量。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，可能有多個(gè)控制器。每個(gè)控制器可以向電機(jī)發(fā)送命令，同時(shí)接收來自執(zhí)行器本身的指令。

　　工業(yè)應(yīng)用中的機(jī)器人系統(tǒng)主要使用由交流電(AC)供電的三相電機(jī)。例如，圖1顯示了一個(gè)電子控制電路的框圖，其中專用微控制器(MCU)生成PWM信號(hào)。作為MCU的替代方案，DSP或FPGA解決方案更適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字濾波算法。

　　一種直流電機(jī)的控制器例子是Trinamic的TMCM-1637 5 A RMS和TMCM-1638 7 A RMS槽型模塊，具有兩個(gè)面向場(chǎng)的控制器/驅(qū)動(dòng)器，添加了霍爾和ABN編碼器功能，用于面向場(chǎng)的控制(或矢量控制)。這些模塊支持單相直流電機(jī)、兩相雙極步進(jìn)電機(jī)和三相無刷直流電機(jī)(BLDC)(見圖2)。

圖2：模塊

　　IGBT

　　絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)在電力控制電子設(shè)備中體現(xiàn)了一種真正的創(chuàng)新。作為開關(guān)解決方案，這種創(chuàng)新來自高開關(guān)頻率。IGBT代表了電力控制設(shè)備的基本功能，非常適合解決復(fù)雜的電機(jī)控制問題。

　　最新的解決方案在開關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間在特別極端的使用條件下(如在汽車行業(yè)中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆變器)發(fā)展了一種良好的關(guān)系。一個(gè)例子是STMicroelectronics的1200V IGBT S系列。這些IGBT優(yōu)化用于低頻(最高8 kHz)應(yīng)用，其特點(diǎn)是低Vce(sat)。1200V IGBT S系列基于第三代溝槽柵場(chǎng)截止技術(shù)。

　　GaN和SiC

　　然而，寬帶隙材料，如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)，正在電機(jī)控制應(yīng)用中逐步取代基于硅的設(shè)備。在電力電子領(lǐng)域，WBG材料的主要優(yōu)勢(shì)包括更低的功率損耗、更高的效率、更高的開關(guān)頻率、更緊湊的尺寸、更高的工作溫度(遠(yuǎn)超過硅的150°C上限)、在惡劣操作條件下更高的可靠性和高擊穿電壓。

　　例如，GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)具有更高的電子遷移率，這意味著更快的開關(guān)速度，因?yàn)橥ǔ７e累在接合處的電荷可以更快速地分散。GaN實(shí)現(xiàn)的更快的上升時(shí)間、更低的漏源導(dǎo)通電阻(RDS(on))值，以及更低的柵極和輸出電容，都有助于其低開關(guān)損耗，并能夠在高達(dá)硅10倍的開關(guān)頻率下工作。

　　減少功率損耗帶來了額外的好處，如更高效的電力分配、更少的熱散發(fā)和更簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)。許多電機(jī)控制應(yīng)用需要風(fēng)扇提供強(qiáng)制空氣冷卻，以在設(shè)備的安全操作范圍內(nèi)工作。通過使用GaN，可以減少功率消耗并實(shí)現(xiàn)無風(fēng)扇運(yùn)行，這對(duì)于例如電子無人機(jī)等輕量級(jí)應(yīng)用特別重要。

　　在工業(yè)電力應(yīng)用中，電子設(shè)計(jì)師可以通過使用SiC MOSFET獲得好處，這些好處包括顯著的效率提高、更小的散熱器尺寸和比傳統(tǒng)基于硅的解決方案如IGBT更低的成本。SiC技術(shù)在每單位面積上實(shí)現(xiàn)了非常低的RDS(on)、高開關(guān)頻率和在體二極管關(guān)斷后的反向恢復(fù)階段幾乎可以忽略的能量損失。

　　在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中使用SiC設(shè)備是一種真正的突破，因?yàn)槠渚哂泄?jié)能、尺寸減小、更高集成度和可靠性的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使其非常適合于汽車和工業(yè)自動(dòng)化控制等高可靠性領(lǐng)域。

　　在工業(yè)驅(qū)動(dòng)中，需特別注意打開和關(guān)閉的換向速度。事實(shí)上，SiC MOSFET的dV/dt可以達(dá)到比IGBT高得多的水平。如果處理不當(dāng)，高換向dV/dt會(huì)在長(zhǎng)電機(jī)電纜上增加電壓尖峰，并可能產(chǎn)生共模和差模寄生電流，這可能在一段時(shí)間后引起繞組絕緣和電機(jī)軸承的故障。盡管更快的開關(guān)速度提高了效率，但為了可靠性考慮，工業(yè)驅(qū)動(dòng)中的典型dV/dt通常設(shè)置在5到10 V/ns之間。

　　STMicroelectronics對(duì)兩個(gè)類似的1.2 kV功率晶體管(SiC MOSFET和基于硅的IGBT)進(jìn)行的比較證明，SiC MOSFET設(shè)備在5 V/ns的條件下比Si IGBT在開啟和關(guān)斷時(shí)能量損失要少得多(見圖3)。

圖3：基于三相逆變器的兩級(jí)驅(qū)動(dòng)器

　　在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中使用SiC設(shè)備是一種真正的突破，因?yàn)槠渚哂泄?jié)能、尺寸減小、更高集成度和可靠性的特點(diǎn)。例如，Infineon Technologies的基于SiC的CoolSiC MOSFET，結(jié)合.XT互連技術(shù)，在1200 V優(yōu)化的D2PAK-7 SMD封裝中，實(shí)現(xiàn)了在功率密度關(guān)鍵的電機(jī)驅(qū)動(dòng)段如伺服驅(qū)動(dòng)中被動(dòng)冷卻，從而支持機(jī)器人和自動(dòng)化行業(yè)實(shí)現(xiàn)免維護(hù)和無風(fēng)扇的電機(jī)逆變器(見圖4)。

　　在自動(dòng)化中，無風(fēng)扇解決方案推動(dòng)了新的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼈児?jié)省了維護(hù)和材料成本。英飛凌的CoolSiC溝槽MOSFET芯片解決方案結(jié)合.XT互連技術(shù)，提供了具有吸引力的熱性能，適合在具有小型外形的機(jī)器人手臂中的驅(qū)動(dòng)集成。CoolSiC MOSFET SMD設(shè)備具有3微秒的短路耐受時(shí)間，額定從30 mΩ到350 mΩ，滿足伺服電機(jī)的要求。

圖4：降低所有操作模式中的傳導(dǎo)損失

　　微控制器（MCU）

　　電機(jī)控制解決方案由硬件和軟件組件組成。硬件組件是電子控制設(shè)備，如IGBT、SiC和GaN MOSFET、電力二極管等，而軟件組件則控制硬件，變得越來越復(fù)雜和精細(xì)。優(yōu)化用于控制和管理電力設(shè)備的計(jì)算架構(gòu)的可用性使開發(fā)人員能夠在控制領(lǐng)域獲得原本不可能實(shí)現(xiàn)的性能。

　　例如，NXP Semiconductors和Renesas Electronics提供了幾個(gè)例子。NXP的MPC57xx系列32位處理器基于Power Architecture技術(shù)，用于汽車和工業(yè)動(dòng)力總成應(yīng)用以及其他汽車控制和功能管理可能性。處理器提供AEC-Q100質(zhì)量、芯片上安全加密保護(hù)以防篡改，并支持ASIL-D和SIL-1功能安全(ISO 26262/ IEC 61508)。它們提供以太網(wǎng)(FEC)、雙通道FlexRay和多達(dá)6個(gè)SCI/8個(gè)DSPI/2個(gè)I2C用于不同的通信協(xié)議。

　　Renesas提供了基于Arm Cortex-M4內(nèi)核的RA6T1 32位MCU，工作頻率為120 MHz，并配備了一系列優(yōu)化用于高性能和精密電機(jī)控制的外設(shè)。單個(gè)RA6T1 MCU可以同時(shí)控制多達(dá)兩個(gè)BLDC電機(jī)。此外，Google TensorFlow Lite Micro框架用于TinyML應(yīng)用，為RA6T1 MCU增加了增強(qiáng)的故障檢測(cè)功能，為客戶提供了智能、易用且成本效益高的無傳感器電機(jī)系統(tǒng)，用于預(yù)測(cè)性維護(hù)。

　　電機(jī)的要求因應(yīng)用而異，可能需要針對(duì)特定用例進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。市場(chǎng)上提供了多種IGBT、WBG半導(dǎo)體和MCU解決方案，以滿足這些需求。然而，需要開發(fā)新的硬件，以便從處理器卸載實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更多的診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)和AI，以及功能安全系統(tǒng)。

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