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  在電機驅(qū)動應(yīng)用中，可能會實時監(jiān)控和測量速度、位置、扭矩和電機運行狀況，以便啟動、加速或調(diào)節(jié)動態(tài)速度，或讓電機系統(tǒng)減速。同樣，在半導體或電池測試設(shè)備中，可以使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器以快速控制環(huán)路的方式發(fā)送準確的模擬信號，從而調(diào)整基于氮化鎵 (GaN) 的服務(wù)器電源單元 (PSU) 在不同負載條件下的輸出功率，或者對在電源中斷期間驅(qū)動不間斷電源中的金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的柵極驅(qū)動器進行調(diào)整。在所有示例中，調(diào)制和調(diào)整實時控制系統(tǒng)的驅(qū)動(對于電機驅(qū)動、電池測試設(shè)備或電源單元等應(yīng)用)都非常重要。

  在運行期間，電機會經(jīng)歷不同的階段，其目的是為了實現(xiàn)可靠的電機驅(qū)動。具體來說，電機運行可分為以下階段：預啟動、電機啟動、開環(huán)、閉環(huán)和電機停止。閉環(huán)階段為系統(tǒng)提供準確的實時反饋，因為此階段會對各種變量進行持續(xù)監(jiān)測，然后通過閉環(huán)響應(yīng)方式進行驅(qū)動，如圖 1 所示。

  圖 1：電機運行階段

  高效率

  隨著電氣化程度的不斷提高，支持多種電器和應(yīng)用的能效標準越來越多，包括能源之星、80 Plus、ErP Lot 9 標準等。因此，務(wù)必要維持實時控制系統(tǒng)的高效率運轉(zhuǎn)，以便在快速變化期間降低功耗和系統(tǒng)工作量。一個非常高效的系統(tǒng)可以實現(xiàn)更快的響應(yīng)、更低的擁有成本和更長的使用壽命。

  例如，掃地機器人需要根據(jù)電池電量更大限度地提高每次清掃的地板范圍。它可以通過實時調(diào)整吸塵能力來實現(xiàn)這一點，因為它會檢測到地板材料或碎屑量的變化，或者是否有物體卡在機器人中。由無刷直流 (BLDC) 電機驅(qū)動器驅(qū)動的真空抽吸電機需要盡可能提高效率，因為它的功耗來源很多，例如開關(guān)損耗、漏源導通電阻 RDS(on) 和 MOSFET 的壓擺率。要降低這些功耗，可以采用提高壓擺率、降低脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出頻率、使用較低 RDS(on) MOSFET 驅(qū)動電機或使用不同的 PWM 調(diào)制模式(如單端)等技術(shù)。

  在購買白色家電時，消費者更傾向于選擇噪音更低的系統(tǒng)。BLDC 電機驅(qū)動器通過正弦以及最近的場定向控制 (FOC) 等控制技術(shù)實現(xiàn)了更好的聲學性能，這些技術(shù)可以將磁通保持在 90 度，從而實現(xiàn)理想的電機效率。借助 TI 的單芯片無代碼無傳感器 MCF8316A BLDC 電機驅(qū)動器，系統(tǒng)設(shè)計人員可以通過連續(xù) PWM 調(diào)制、死區(qū)時間補償和可變換向模式等控制技術(shù)來盡可能降低可聞噪聲。

  圖 2 展示了利用 MCF8316A 優(yōu)化聲學性能前后的可聞噪聲比較結(jié)果。

  圖 2：采用 MCF8316A 前后的可聞噪聲比較

  可靠性高

  實時控制系統(tǒng)保護機制可在不可預測的惡劣環(huán)境中保障可靠運行，例如高溫和低溫環(huán)境，或者外部因素可能對系統(tǒng)產(chǎn)生電氣甚至物理影響的環(huán)境。以可能包含移動器件的系統(tǒng)為例，例如電機驅(qū)動器。檢測或預測轉(zhuǎn)子鎖定的能力有助于更大限度地減少功率損耗、器件故障或損壞。TI 的 MCF8316A 可在電機運行期間持續(xù)檢查不同的電機鎖定條件，并在檢測到鎖定事件時立即采取行動。此處列舉一個真實的例子，當掃地機器人檢測到物體(例如毛巾卡在其路徑中)時，系統(tǒng)負載激增，這種情況會被系統(tǒng)判定為電機鎖定狀態(tài)，然后電機能夠向相反方向旋轉(zhuǎn)以松開物體并繼續(xù)正常運行。

  無代碼的電機驅(qū)動器(例如 MCF8316)還可以管理重要功能(如電機故障檢測)，并實施保護機制，使整個系統(tǒng)設(shè)計更加可靠。

  圖 3 是典型 BLDC 實時控制電機系統(tǒng)的框圖，在這種系統(tǒng)中，電壓和電流檢測電阻不斷向控制器提供電機反饋(基于保護機制)，然后控制器向電機驅(qū)動器發(fā)送不同的 PWM 信號以便相應(yīng)地進行驅(qū)動。

  圖 3：無傳感器 BLDC 實時控制電機系統(tǒng)

  精度

  實時控制系統(tǒng)的精度對于可靠運行非常重要。典型的電機閉環(huán)系統(tǒng)依靠驅(qū)動器的處理速度來獲得極高的速度精度和極短的延遲。此外，在需要提供閉環(huán)反饋的實時控制系統(tǒng)中，電流檢測放大器可在廣泛的共模電壓和溫度范圍內(nèi)提供高水平的電流檢測精度。

  在用于睡眠呼吸暫停患者的持續(xù)氣道正壓通氣 (CPAP) 機器等應(yīng)用中，精確的實時控制系統(tǒng)會持續(xù)監(jiān)控空氣阻塞情況，并提供必要的空氣來打開人的氣道。另一個示例是 DLP® 投影儀應(yīng)用，其色輪電機系統(tǒng)需要具有高速精度 (1%)，以便投影儀在家庭影院投影儀等終端設(shè)備的屏幕上顯示高品質(zhì)的彩色圖像，如圖 4 所示。

  圖 4：DLP 家庭影院投影儀

  實時控制系統(tǒng)的驅(qū)動階段取決于來自傳感階段的不同類型的反饋，不斷監(jiān)測系統(tǒng)條件的任何變化，然后將其發(fā)送到控制階段以解讀數(shù)據(jù)并發(fā)送下一個驅(qū)動命令。無論目的是通過死區(qū)時間補償更大限度地減少可聞噪聲、提供電機鎖定檢測功能，還是希望提供準確的速度，BLDC 電機驅(qū)動器在許多工業(yè)和汽車應(yīng)用的驅(qū)動器中都發(fā)揮著重要作用。