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即時控制系列的前一個部份深入探討了處理的功能區塊。在這個部份中,我將討論即時控制的驅動階段 (更新系統),以及這個階段為什麼對於穩定的系統輸出運作很重要。

例如,在馬達驅動應用中,您可能會即時監控和測量速度、位置、扭矩和馬達運作狀況,以便啟動、加速或調節動態速度,或將馬達系統減速。另一方面,在半導體或電池測試設備中,您可以使用數位轉類比轉換器以快速控制迴路的方式傳送準確的類比訊號,藉以調整採用氮化鎵 (GaN) 的伺服器電源單元 (PSU) 在不同的負載條件下達到的輸出功率,或在電源中斷期間對於持續電系統中的金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET) 進行驅動的閘極驅動器。在所有範例中,調變和調整即時控制系統的驅動 (對於馬達驅動、電池測試設備或電源單元等應用) 都相當重要。

在馬達運作期間,會發生不同的階段,藉以協助達到穩定的馬達驅動。馬達的階段包括預啟動、馬達啟動、開環、閉環和馬達停止。閉環階段為系統提供準確的即時回饋,因為這會持續監測不同的變數,然後以閉環回應方式驅動,如圖 1 所示。

                                                                                                                                     圖 1:馬達運作階段

高效率

隨著電氣化程度的持續提高,多種電器和應用的能效標準愈來愈高:能源之星、80 PlusErP Lot 9 標準等等。因此,讓即時控制系統保持在最高效率相當重要,才能在快速變化期間降低功耗和系統工作量。相當高效率的系統可以實現更快的回應、更低的擁有成本和更長的使用壽命。

例如,吸塵器機器人需要根據電池電量達到每次行程的最大地板涵蓋範圍。這可以透過即時調整吸力來做到這一點,因為這會偵測到地板材料或碎屑量的變化,或者物體是否卡在機器人內部。由無刷直流 (BLDC) 馬達驅動器驅動的真空抽吸馬達需要盡可能達到高效率,因為這組馬達有多種功耗來源,例如切換損耗、漏源導通電阻 RDS(on) MOSFET 的轉換速率。提高轉換速率、降低脈寬調變 (PWM) 輸出頻率、使用較低 RDS(on) MOSFET 驅動馬達或使用不同的 PWM 調變模式 (例如單端) 之類的技術可以減少這些來源。

購買白色家電的消費者偏好較靜音的系統。BLDC 馬達驅動器透過正弦等控制技術以及最近的磁場定向控制 (FOC) 達到更好的聲學性能,透過將磁通保持在 90 度 即可達到最佳的馬達效率。TI 的單晶片無程式碼無感測器 MCF8316A BLDC 馬達驅動器可供系統設計人員透過連續 PWM 調變、死區時間補償和可變換向模式等控制技術將可聽聞噪音降至最低。

             

                                                                                                                        圖 2 比較 MCF8316A 在優化聲學設計前後的可聽聞噪音。

可靠性

即時控制系統保護機制有助於在嚴苛和不可預測的環境中穩定運作,例如高溫和低溫,或者外部因素可能對系統產生電氣或甚至實體影響。以系統可能有活動零件的馬達驅動器為例,偵測或預測轉子鎖定的能力有助於盡可能減少功率損耗、設備故障或損壞。TI MCF8316A 在馬達運作期間持續檢查不同的馬達鎖定條件,並在偵測到鎖定事件時立即處理。實際的驅動範例是吸塵器機器人偵測到物體的情況,例如毛巾擋在吸塵器機器的路徑。系統負載激增,系統確定這是馬達鎖定狀態,馬達能夠朝相反方向旋轉以解開物體並繼續正常運作。

MCF8316 等免程式碼馬達驅動器也可以管理關鍵功能,例如馬達故障偵測,並實施保護機制,確保整個系統設計更穩定。

3 是典型 BLDC 即時控制馬達系統的原理圖,其中電壓和電流感測電阻器會持續向控制器提供馬達回饋 (依據保護機制),控制器會向馬達驅動器傳送不同的 PWM 訊號以進行驅動。

                                                                                                          

                                                                                                                                              圖 3:無傳感器 BLDC 實時控制電機系統

準確性

實時控制系統的精度對於可靠運行非常重要。典型的電機閉環系統依靠驅動器的處理速度來獲得最高的速度精度和最小的延遲。此外,在需要提供閉環反饋的實時控制系統中,電流檢測放大器可在廣泛的共模電壓和溫度範圍內提供最高水平的電流檢測精度。

在用於睡眠呼吸暫停患者的持續氣道正壓通氣 (CPAP) 機器等應用中,精確的實時控制系統會持續監控空氣阻塞並提供必要的空氣以打開人的氣道。另一個示例是 DLP® 投影儀應用,它需要色輪電機系統的高速精度 (1%),以便投影儀在家庭影院投影儀等終端設備的屏幕上顯示高質量的彩色圖像,如圖所示在圖 4 中。

                                                                                                                          

                                                                                                                                                圖 4DLP 家庭劇院投影機

結論

即時控制系統的驅動階段取決於持續監測系統條件任何變化的感測階段所發出的各種不同回饋,這些回饋會傳送到控制階段以解釋數據並傳送下一個驅動命令。無論價值主張是透過死區時間補償將可聽聞噪音降至最低、提供馬達鎖定偵測功能,還是提供準確的速度,BLDC 馬達驅動器在許多工業和汽車應用的驅動器中都發揮重要的作用。

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