直流无刷电机控制方案与磁编码器应用-MPS-2015-11-18

MonolithicPowerSystems®MPSConfidential–Don’tDistribute直流无刷电机控制方案及磁编码器的应用__/2015.11.17TheFutureofAnalogICTechnology®•单相直流无刷电机控制技术及方案•三相直流无刷电机控制技术及方案•步进电机控制技术及方案•永磁同步电机矢量控制技术及方案•MPS转子角度位置传感器特点及应用•基于MPS永磁同步电机方案的机器人抛球装置介绍内容简介TheFutureofAnalogICTechnology®单相直流无刷电机控制技术及方案单相直流无刷电机原理•需要检测转子磁场位置•根据位置信息决定通电顺序，以产生持续旋转的磁场•调节H桥占空比从而控制绕组电流大小a=0-1a=0a=1a=1-0TheFutureofAnalogICTechnology®•单相直流应用实例：（MP9518为例）FGVCCGNDPWMGNDOUT1OUT2R10ΩD1OUT2VCC123654GNDPWMFGOUT1MP9518CIN•外围器件少•单层PCB设计容易PCB•控制/H桥/霍尔集成RotorMagnetPCBPCBStraightLeadTSOT23-6单相直流无刷电机控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®•单相直流应用实例：（MP9518为例）OUT2VCC123654GNDPWMFGOUT1TopViewMotorCIND1D2•3Vto18V输入，21V过压保护•输入防插反•内部集成霍尔检测(min.±3mT)•输出FG/RD可选择•软换相抑制电流过冲和噪声•BEMF和电流自动锁相提高效率单相直流无刷电机控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®•单相直流无刷电机控制技术实例：（MP9518）DutyCal.LinearTableLookupPWMIN8-bit8-bitPWM_OUTTcase_rise=10ºC@VIN=12V,IIN=0.31ARoom.Temp,单相直流无刷电机控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®•单相直流无刷电机控制技术实例：（MP9518）HALLOUT1OUT2θson(45o)θsonθoffBEMFIoθsoff(45o)θoff(max.45o)•软换相抑制电流过冲和噪声•BEMF和电流自动锁相提高效率DutyCal.LinearTableLookupPWMIN8-bit8-bitPWM_OUT•检测输入PWM占空比•查表获取输出PWM占空比•查表可任意数字编程单相直流无刷电机控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®三相直流无刷电机原理（三相两两导通六状态）IAIBEAEBICEC001101100110010011001101100110010011•根据三相霍尔德位置决定导通相，以产生旋转的定子磁场•每60o有两相导通，另外一相悬空•每相电流导通240o三相直流无刷电机控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®•三相直流无刷电机控制实例：（MP6530）CPACPBVCPVINLSSPWMAPWMBPWMCOC_REFVDDFAULTDTVINMP6530CddRDEAD0.47uFExposedGNDPADENAENBENCCREGCINGLAGHASAPhaseA(repeatforBandC)ToPhaseBToPhaseCFBRSLEWSLEWSLEEPGND•三相驱动可独立控制•5V-60V输入•外部MOSFET，功率应用灵活•输出驱动可100%占空比工作•死区可调三相直流无刷电机控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®•三相直流无刷电机控制实例：（MP6532）•三相驱动可独立控制•支持三相霍尔+PWM接口输入•5V-60V输入•外部MOSFET，功率应用灵活•输出驱动可100%占空比工作•死区可调三相直流无刷电机控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®•三相直流无刷电机控制实例：（MP6540/1）•实时输出三相电流检测•三相桥臂可灵活单独控制•全集成驱动和三相桥•QFN5x5mm•MP6540:60V/5A/30mΩ•MP6541:35V/8A/13mΩChargePumpCP1VINVINCP2VCPSASBSCLSSGSOASOBSOCUVLOComparatorFaultHandlingnFAULTOCPComparatorTimingandControlLogicPWMCPWMBPWMAENCENBENAAGNDHSGateDriverLDOVREGVINTSDnSLEEPUVLO_REFOC_REFVREF(MCU)LSGateDriverVREGGGVCPVCPVREGCurrentMeasurement(toADC)三相直流无刷电机控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®步进电机分类：•反应式步进电机：利用磁阻转矩，结构简单无定位转矩步距角小•永磁式步进电机：利用电磁转矩，效率高有定位转矩步距角度不宜做小•混合式步进电机：步距角可以很小有定位转矩结构复杂步进电机控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®无刷直流电机分类及其不同控制技术步进电机控制原理：•电脉冲信号与角度位移成正比•两相邻相磁极轴线与转子齿数的关系：Zr为转子齿数，p为极对数，为m相数，K为正整数。12ZrKpmmA相对齐时（3相步进电机为例）TheFutureofAnalogICTechnology®无刷直流电机分类及其不同控制技术步进电机控制原理：•电周期的通电拍数与步距角的关系（N拍转一个齿距）：N为一个电周期通电拍数；M为相数；C=1（单拍或者双拍方式），C=2（单双拍方式）单拍工作方式：每拍只有一相绕组通电；双拍工作方式：每拍同时有两相绕组通电；单双拍工作方式：每拍单拍、双拍交替进行；360osrNZNCmTheFutureofAnalogICTechnology®无刷直流电机分类及其不同控制技术步进电机控制实例（MP6501A）：STEP:步进命令DIR:方向控制开关频率设置MS2MS1模式拍数LLFull4LHHalf8HLQuarter16HHEight32绕组最大电流设定TheFutureofAnalogICTechnology®无刷直流电机分类及其不同控制技术步进电机控制实例（MP6501A）：例：32拍（EightStep）TheFutureofAnalogICTechnology®永磁同步电机矢量控制技术及方案•三相永磁同步电机原理及应用•各相磁场及BEMF为正弦波•利用3/2旋转变化，把三相交流变量(A/B/C)转化为旋转的2相直流量(d/q)•用相邻基本矢量+零矢量利用面积等效原理所需矢量TheFutureofAnalogICTechnology®矢量控制技术在永磁同步电机中的应用转子磁场定向矢量控制技术（MPS方案）：PWMA/B/CMPSSystemControllerCLKINDIRENFGnFAULTI2C/SPIENA/B/CnSLEEPPVINMP6540/13.3VSinewaveFOCAngularSensorNon-VolatileMemory10-bitADCI2C&SPI3-phaseBridgeia/b/cSenseLDOPositionSpeed/TorqueUAUBUCACB0.8ViA/B/C•MP6540:60V/5A/30mΩ•MP6541:35V/8A/13mΩ•集成高精度位置传感器•I2C/SPI数字通讯接口•FOC控制算法•位置/速度/转矩模式•非易失储存器存储参数TheFutureofAnalogICTechnology®•转子磁场定向矢量控制技术（MPS方案）：id*iqiq*ud*uq*2r/3sidSVPWMua*ub*uc*PIPIkp(s+wz1)(s+wz2)s(s+wp1)(s+wp2)abcibMUX&SHic10-bitADC3s/2rAccuFilterTMSettingTimeControl160MHzSpeed/PostionIdRef(0)θeθmθep0置霍尔检测速度：20到60000RPM位置：0.2o分辨率,2^32圈永磁同步电机矢量控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®OFFOFFOFFOFFOFFOFFacbVIN(+)VIN(-)VINMAXIINMAXVINIIN•Brakeun-controlledandslow!•Moreenergylostondiode,windingresistance!Brakecontrolledandfast!NormalBrakeFastBrakeMoreenergyrecycle!PWMVIN(+)acbVIN(-)PWMPWMPWMPWMPWMVINMAXIINMAXVINIINControlledbyMP6570永磁同步电机矢量控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®•转子磁场定向矢量控制技术（打印机方案）：MP6540/13-phasebridgeQFN5x5mmMPSControllerQFN4x4mm3.3VLDO(optional)(VIN/3.3V/GND/EN/DIR/CLKIN/BRAKE/FG/FT/SPI/I2C)FromSystemController永磁同步电机矢量控制技术及方案TheFutureofAnalogICTechnology®转子角度位置传感器MagnetonendofshaftAngleinformation:-U,V,WlikeHallsensors-A,B,Ilikeopticalencoder-SPIreadout•磁角度传感器：TheFutureofAnalogICTechnology®磁角度传感器供应商比较…feasiblewiththesamedevicevs.MonolithicPowerSystems®TheFutureofAnalogICTechnology®转子与传感器的摆放方式end-of-shaftside-shaftSensoron-axisofmagnetSensoroff–axisofmagnetTheFutureofAnalogICTechnology®常见的磁角度传感器方案Whatiscommoninallcompetitors’sensors?Basedontwocomponent(X,Y)measurementConverthallvoltagesignalintodigitaldomainAnglecomputedwithcomplexarctanalgorithmTheFutureofAnalogICTechnology®MPSSpecialTechnique:energyefficientextremelyfastsmalldie&packagerobust&reliableTimecountingaMPS的独特磁角度传感器MPSMagAlphaSpinaxis®means…trueinstantaneoussensing(TIS)…simple&robustsetup…lowpowerconsumption…smallsensorcomponentsTheFutureofAnalogICTechnology®iVVBBBHowdoesSpinaxiswork?MPS的独特磁角度传感器TheFutureofAnalogICTechnology®HowdoesSpinaxiswork?MPS的独特磁角度传感器TheFutu