电机驱动与控制解决方案指南

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http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/applications/industrial/motor-drives/overview.page

电动机保护基本配置有速断，反时限过流，零序过流，温度保护，低电压保护，定时限过流，负序过流，过负荷，还分启动保护和启动后保护，因为启动电流比运行电流大，所以这两个保护就需要判断电动机启动状态，其他常规保护都必须有，保证电动机的正常运行。

嗯，说的很对，启动时候必须考虑启动功率的峰值承受能力。

用开关直接控制电机启/停的控制方法，一般用于较小的电机。对于其优点是简单。
对于大容量电机的控制，采用按钮+接触器控制居多。主要的一个原因是：因为电机容量大，其工作电流、启动电流也大，这就要求开关触点的容许电流也大。而接触器的触点比开关的触点更容易满足这个要求。实际上大容量的接触器比大容量的开关品种多，更容易选型。其次，通过接触器控制电机，由按钮控制接触器，接触器线圈的电流比大电机的电流要小得多，这样对按钮触点的容量要求就降低了。
另外还有一个不同的地方。对于用开关直接控制的电机，一旦电源断电电机停转，恢复供电时电机会自行恢复运转。（这种情况在某些场合会发生危险，是不允许的）。对于采用按钮+接触器方式控制的电机，失电后恢复供电时电机不会自行运转，必须人工重新启动。可避免由断电复电带来的危险隐患。

电机的运动控制系统是通过电机伺服驱动装置将给定的位置指令变成期望的机构运动,一般系统功率不大,但有定位精度要求,并具有频繁启动和制动的特点,在雷达、导航、数控机床、机器人、磁盘驱动器和自动洗衣机等领域得到广泛应用。

电机驱动器是专门用于驱动电磁机器的电路，如刷式或无刷电机、步进电机或其它机电传动器。
电机通常需要超出控制它们的模拟或数字信号处理电路所能提供的电压和/或电流。电机驱动器可在信号处理电路和电机本身之间提供接口。

电机控制是指，对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的。对于电动机，通过电机控制，达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出及高过载能力的目的。

电机的能耗占用电设备的20%左右，因此必须提高电机能效，而且如何实现易于使用、 高可靠性、完备的产品和支持也是很有必要的。

全套的TI电机系统解决方案。有电机应用，找TI，找楼主，呵呵。赞

以前做过控制步进电机的电路，用的是C51单片机，那时候就是一个驱动电路，做一个控制生产线自动化的功能，程序也简单，都不需要用到串口的，现在看来C51已经过时了，现在的公司用的是STM32的单片机，总体来说还是c语言，但功能上强大太多了

TI电机驱动与控制解决方案指南非常完备，功能也非常强大，

德州仪器 (TI) 可提供完整的电机驱动与控制
解决方案以及门类宽泛的模拟和微控制器产
品库，从而成为全球市场的领先者。TI 提供了
全面的工具、软件和支持，旨在帮助客户打造
高效、可靠和高性价比的电机解决方案。客户
能够获得拥有合适性能的理想产品以使各类
电机迅速进入运转状态，包括交流 (AC) 感应
电机 (ACIM)、有刷直流 (DC) 电机、无刷直流
(BLDC) 电机、永磁同步电机 (PMSM) 和步
进电机等。

功率级用IGBT或MOSFET都可以，通常IGBT可以控制的电流更大，适合大功率电机的情况下使用！

感觉现在的电机种类虽然非常丰富 但是真正能将控制器做到多机种通用的却非常少  如果能设计一款不仅能驱动有刷直流电机而且还能兼容无刷电动机的驱动控制模块  感觉这种模块一定会非常火   

在实际研发和维修过程中  发现现在的控制模块着眼点大都集中在对电机控制当中，而忽略了对电机本身的故障检测，如果将现有电动机智能综合保护器与控制器相结合 在控制电机的同时 还能从静态和动态两种模式下监视电机的各种特性参数  做到了一机多用  岂不更好

在电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：
　　功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。

电动机保护基本配置有速断，反时限过流，零序过流，温度保护，低电压保护，定时限过流，负序过流，过负荷。

包括如下几部分：

主机一运动轨迹(motionprofile)、逻辑控制器或用户界面通常采用一个标准或专有的现场总线℃AN、串行、以太网）进行通信

数字隔离一在不同的电压电平之间提供保护与电平移位

控制器一可根据主枧的反馈与运动轨迹信息生成正确的开关模式以控制电机的运动

栅极驱动器一可生成用于准确和高效地驱动MOSFET或IGBT所需的电压和电流

功率级一IGBT或MOSFET.检测一可对来自电枧的反馈信息进行处理／调节以控制转矩、速度或位置的模拟电路

前置驱动器一集成至单个器件或封装中的栅极驱动器、检测及保护电路（还可能包括控制逻辑）

集成型电机驱动器一集成至单个器件或封装中的栅极驱动器、FET及保护电路（还可能包括控制逻辑和检测电路）。

TI提供了全系列的解决方案，能够会电机有效的驱动保护。

大功率IGBT应用在电机能够驱动更大的电流，电机驱动有如下部分组成；

主机一运动轨迹(motionprofile)、逻辑控制器或用户界面通常采用一个标准或专有的现场总线℃AN、串行、以太网）进行通信

数字隔离一在不同的电压电平之间提供保护与电平移位

控制器一可根据主枧的反馈与运动轨迹信息生成正确的开关模式以控制电机的运动

栅极驱动器一可生成用于准确和高效地驱动MOSFET或IGBT所需的电压和电流

功率级一IGBT或MOSFET.检测一可对来自电枧的反馈信息进行处理／调节以控制转矩、速度或位置的模拟电路

前置驱动器一集成至单个器件或封装中的栅极驱动器、检测及保护电路（还可能包括控制逻辑）

集成型电机驱动器一集成至单个器件或封装中的栅极驱动器、FET及保护电路（还可能包括控制逻辑和检测电路）。

TI的电机控制系统已经做的非常成熟了，TI能不断的有更新、更成熟的方案出来，着实不易！电机启停是一个很重要的问题，应力很大，通过软硬件的配合，可以更好的控制电机，提高可靠性，提升设备的寿命。

TI在电机控制方面的能力大家有目共睹，TI能提供各种类型的电机驱动与控制解决方案，方案可靠，工程师可选择的余地很大，方案里面有很多细节与分析，都是在实际应用中可能遇到的，TI都总结出来了，工程师能从中学到很多东西！

永磁同步直线电机在电气控制方面的要求比旋转电机更高，因而必须采用更 高效的控制方法，选用精度更高的检测元件。针对永磁同步直线电机(PMLsM)， 提出采用电压空间矢量脉宽调制(SvPwM)的方式和闭环控制策略相结合对电机进行 控制的方法，以数字信号处理器TMs320F2812为控制核心，实现电流、速度、位置三 闭环控制。通过测量电流、速度和位置的实际波形，位置环作为最外环可以初步实现功能，提供了一套直线电机 驱动系统的方案，为实现高精度控制奠定了基础。

电机的控制由传统的分立逻辑器件和新兴的微控制器两种，使用微控制器主要存在强电磁干扰的问题，据我所知，TI的芯片已经很好地克服了这一点。

不论哪一种电机，其最基本的工作原理都是磁场切割导体(相对的,或导体切割磁场)产生力，

但不同种类的电机，其优缺点和使用场合不同。其中最常见的是有刷直流电机，各种电动玩具到处可见。

电机控制中最经典的控制方法是PID：

P比例：比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。

I积分：积分环节的作用是消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。

D微分：微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势预先(预测)进行控制。

三个参数变量，相同电机电机型号，不同系统中其取值差别很大，在电机控制系统中，这部分的调校是最难，最重要的一块。

    电机控制模块种类比较多，分类也比较全面，适用于各类不同功率需求的应用。

   模块化软件包、GUI 以及硬件参考设计构成完整的电机控制技术方案。一般可直接进行控制应用，或仅需要对很少几个参数进行调整，就可以很容易地实现电机控制应用。其应用范围广泛：如白色家电（如洗衣机，冰箱压缩机）控制及工业传送带电机控制等。

有这么多功能部件, 怎么没有提到电源系统呢?

这可也是个比较复杂的重要环节, 分成两个部分.

低压电源, 包括模拟信号和传感器的电源, 数字和 MCU 电源, 驱动电路的电源...

高压电源, 可能是 AC-DC 的变换, 还可能外带 PFC 和 BOOST 电源.

Ti在各个档次的驱动器测试版真的很全，希望能多组织些活动，多出些中文手册。

一、 TI  凭借自身在高级电机驱动和控制领域的深厚历史积淀与门类宽泛的各种模拟和微控制器产品，使得其可以提供完整的电机解决方案，并且将各种驱动产品、电机驱动经验与相应的软件结合起来，从而为客户提供一个高效、可靠的电机驱动与控制解决方案指南。

二、一个完整的TI电机驱动与控制系统主要包括主机、隔离、控制器、栅极驱动器、功率开关器件如IGBT或MOSFET、检测电路、前置驱动器、集成型电机驱动器等。其中，主机通常采用一个标准或专有的现场总线℃AN、串行、以太网）进行通信；隔离是为不同的电压电平之间提供保护与电平移位；控制器是控制的核心，能够根据主枧的反馈与运动轨迹信息生成正确的开关模式以控制电机的运动；栅极驱动器可生成用于准确和高效地驱动MOSFET或IGBT所需的电压和电流；功率开关器件等则可对来自电枧的反馈信息进行处理／调节以控制转矩、速度或位置；前置驱动器集成至单个器件或封装中的栅极驱动器、检测及保护电路；集成型电机驱动器一集成至单个器件或封装中的栅极驱动器、FET及保护电路（还可能包括控制逻辑和检测电路）。

三、TI提供了各种类型的电机控制demo板，用户可以根据自己的需要进行选择，如提供了关于步进电机、有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机、交流感应电机等不同类型电机的控制方案，相应的demo板会提供设计的BOM、原理图、光绘文件等，使用户可以在其基础上开发或者以之为基础，重新设计，同时TI提供了相应的软件共用户快速的上手来验证电机控制操作。

四、TI 的DRV8x系列集成型电机驱动器使得客户能够轻松快捷地运转其电机，由于集成栅极驱动电路、检测放大器、保护、FET、业界标准的控制接口和驱动算法，使得设计复杂难度降低、PCB空间减小以及操作入门时间大幅缩减。

五、TI在电机驱动器具有很多优势。

1、更快地使电机进入运转状态，由于集成度高，用户能够迅速地完成其电机的设置并使之进入运转状态；

2、具有稳健、可靠、并拥有全面的保护功能，如所有的TI电机驱动器均包含快速动作的短路、过热、欠压及交叉传导保护功能电路，能够检测故障状况并迅速切断H桥，从而为电机和驱动器IC提供保护作用。

3、适合于各种应用的理想器件，TI拥有数量庞大且具备不同集成度、控制接口和额定功率水平的电机驱动器，用于驱动不同种类的电机。如DRV8x系列包含驱动器和前置驱动器，支持的电压范围介于2.75V到60V之间、电流范围介于100mA 到24A之间。

六、前置驱动器

TI集成的前置驱动器可以缩减的板级空间和改善的性能、高侧与低侧FET转换的自动信号交换不仅可防止短路，而且还能简化栅极控制，提升系统可靠性、外部FET提高了热性能和效率，并能够轻松调节以支持低电流和高电流平台。

七、电流测量方面，TI具有较低的失调，故可以采用较小的分流电阻，实现较低的功耗和压降；TI所有的电流放大器为了避免外部增益电阻带来的误差，都是通过高精度制造工艺在内部进行增益控制，此外还对接口进行了隔离。

八、TI电机方案预留接口支持RS485 / RS-422/CAN通信。TI 在隔离方面也很有优势，如可靠性、信号传输速率等。

  总结：

      关于电机控制，目标就是提高效率，在负载发生变化的时候，电机的响应提高了，能耗就能降下来。在便携式应用里，电池的使用寿命会更长，还会有更紧凑的外形设计和更少的能耗。目前，TI正尝试通过嵌入式智能技术控制功能来提高效率，有几种方法：

   1、增加电机的控制算法。

   2、采用数字速度及转矩控制环路，把原来粗放型控制的精度再提高。用智能模式还可以节约成本，加速产品上市的进程。

　关于TI在电机方面未来的发展方向，应该是：

    1、嵌入式控制，比如无刷电机转的时候，我们会对转向，相位的侦测，有刷电机是通过探刷换相的，TRBC没有传感器，这时候侦测和控制功能都放在我们芯片内部。
　2、有很先进的控制算法，我们在全球有一个部门专门做这个算法。最近电机控制领域有一个最好的转接算法FOC，在TI16位单片机里已经移入了FOC算法，我们叫精简指令的FOC算法。
　3、数字控制环路。做数字控制环路有个好处，原来有个模拟器件需要去调试和改变一些参数，可能会改变一些电阻电容的组织，现在我们采用数字控制模式，就直接用软件改参数就可以了，这样客户的产品运行的时间会更快。
　4、更高的集成度，有很多外围控制，把电流环路检测部分也放在芯片里，会把一些隔离电路放在里面，所以TI的集成度会更高。
　5、提高TI电机的精确度、线性度，比如我们要往256细分，或者半流，马达在运行过程中是全电流运行，但在减少运行或不运行时把电流降下来。

今天了解了电机驱动和控制解决方案，先是了解了电机控制系统功能部件，主机，数字隔离，栅极驱动 器，功率级，前置驱动器，集成型电机驱动器。
高性价比解决方案DRV8818EVM是用于打印机,扫描仪,家用办公设备以及科学或者医疗设备和其它自动化设备的步进马达驱动器,集成了两个H桥驱动器和用来控制步进马达的微步距分度器逻辑.微步距马达驱 动器采用PWM,可提供1/8步操作,每个绕组的电流高达2.5A,主要用在打印机,纺织机械,定位/跟踪,工厂 自动化和机器人.步进电机还包括RDK-SGTEPPER，是完全集成的通信/定位/驱动器，适用于在3A时高达 80V的NEMA23/34电机。DRV8412 评估套件 (DRV8412-C2-KIT) 包含使两个刷式直流电机或单个步进电机 的开包即用所需的一切工具：DRV8412 电机驱动器、C2000 Piccolo F28035 MCU controlCARD、入门 GUI、软件、代码开发环境和电机。此高度集成、功能强大的电机控制和驱动器解决方案可加快在 50V 电压下运行时电流高达 6A（常态）/12A（峰值）的刷式电机与步进电机的开发速度。典型应用包括医 用泵、卷门机、舞台照明、纺织品生产工具和工业或消费类机器人。以及DRV8829EVM具有 32 级电流调 节的 5A 半双极步进电机驱动器（PH/EN 控制器）.
当在比如玩具和小型消费类电器设备应用中可选择有刷直流电机控制，型号也很多，比如 DRV8833EVM,RDK-BDC24,DRV8801EVM,DRV8412-C2-KIT.
当需要使用在比如风扇，泵类和压缩机等要求可靠性和稳健性高的速度控制应用时可用无刷直流电机， 型号比如TMDSHVMTRPFCKIT,RDK-BLDC,DRV8312,DRV8301-HC-C2-KIT.
当需要使用那些要求高精度控制 和低转矩脉动的应用时比如机器人，伺服系统，电机动力转向时可用 永磁同步电机。型号有TMDSHVMTRPFCKIT,TMDS2MTRPFCKIT,DRC8312-C2-KIT,DRV8301-JC-C2-KIT.
而交流感应电机使用在家用电器到大马力工厂自动化，型号有RDK-ACOM,TMDSHVMTRFCKIT,

比如，DRV8301-HC-C2-KIT三相无刷直流无刷交流电机控制评估套件,通常被称为永磁同步电机（PMSM） ,无传感器磁场定向矢量控制（FOC）/和TI 无传感器BLDC解决方案。是一种高性能，低功耗，高性价比 的平台，应用包括CPAP、泵、电动自行车、电动滑板车、医用泵、钻头、电动工具、机器人技术。

比如，TMDSHVMTRPFCKIT，高压电机控制和 PFC 开发者套件提供了一个在高压环境中评估 Piccolo 或 Delfino 微控制器和 TI 模拟的简单开源方式。单个 MCU 可以控制功率因数校正 (PFC) 级和电机控制 级。PFC 采用线路电平交流输入（~110 至 ~240VAC）和高达 750 瓦的输出功率，通过闭环控制调节。
电机驱动器级可以从 PFC 或独立功率级驱动，可接受高达 400V 并输出高达 1.5 千瓦的功率。电机驱 动器级能够驱动最常见的三相电机：交流感应电机、无刷直流电机和永磁同步电机。微控制器采用有传 感器和无传感器反电动势技术来控制使用闭环控制（梯形、V/F 或 FOC）的每种电机。支持三种无刷电 机类型，即交流感应电机、永久磁性同步电机、无刷直流电机，可用于 Piccolo 和 Delfino F2833x 器件，1.5 千瓦电机驱动器级，750W 功率因数校正级，功率因数校正级的完整源码软件，控制全部三 类电机的完整源码软件，最新软件观测器和高频注入初始位置检测技术的基于库的软件。

其实之前自己对电机控制的了解并不多，这次还是增长了好些见识~

很久之前利用单片机驱动过步进电机，算是对电机控制的入门吧，后来参加比赛做了四轴飞行器，然后对飞行器用的无刷直流电机有了了解，对电机控制也有了进一步的了解，电机的种类很多，为了使电机转动平稳，就需要进行精细地控制。

这里来说说四轴飞行器用到的无刷直流电机BLDC吧，这是一般大型的飞行器选择，它的运转效率、低速转矩、转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好，以及拥有宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点，在四轴飞行器这种高敏调速转向飞行器上运用广泛。飞行器的BLDC前面一般是要配合这无刷电调一起使用的，它将PWM占空比带来的信息转化为BLDC的电压相位信息，然后对电机的转速进行调节，因为每个调节周期比较短的，飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态，降低炸机的可能咯。

看了TI的电机控制方案，TI 的 C2000™ 系列 MCU，好像并没有看到专门为飞行器定制的电机控制解决方案，多是面向汽车、风扇等系统应用。

        TI提供完整的电机驱动与控制解决方案以及门类宽泛的模拟和微控制器产品库，旨在帮助客户打造高效、可靠和高性价比的电机解决方案。客户能够获得拥有合适性能的理想产品以使各类电机迅速进入运转状态，包括交流 (AC) 感应电机 (ACIM)、有刷直流 (DC) 电机、无刷直流(BLDC) 电机、永磁同步电机 (PMSM) 和步进电机等。在公司用的最多的还是TI的C2000系列的DSP，很容易进行V/F控制、矢量控制和直接转矩控制算法的实现。