解決方案 | 使用旋轉(zhuǎn)變壓器的電機控制設計

如今，在科技的浪潮下，機械設備的智能化發(fā)展已經(jīng)成為一種必然趨勢，這使得高能效的電機控制設計面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。與此同時，隨著電子產(chǎn)品精細化發(fā)展趨勢顯著，能夠在體積和成本雙重受限的狀況下，還能保持長期運行且安全可靠的電機控制設計更是難上加難。

為了縮短客戶的研發(fā)時間，減輕客戶的研發(fā)難度，瑞薩電子推出了使用旋轉(zhuǎn)變壓器的電機控制方案，該方案提供了具有旋轉(zhuǎn)變壓器位置控制功能的步進電機設計和可選的BLDC電機設計，集成了一個帶內(nèi)置旋轉(zhuǎn)變壓器的馬達、MCU、旋轉(zhuǎn)變壓器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動器，以及用于電機和控制電路的電源IC，不僅具有極高的性能，而且高集成度和緊湊的設計，也可使其應用于體積受限的應用中。

系統(tǒng)框圖

MCU選型

本方案采用了RX24T與RX651/RA6E1的雙MCU控制。其中，RX24T系列屬于32位微控制器，特別適于雙逆變器控制。其內(nèi)置浮點單元（FPU），能夠輕松地對復雜的逆變器控制算法進行編程。這極大地縮短了軟件開發(fā)和整體維護所需的時間。RX24T微控制器設計確保最高的抗擾度，能夠為任何采用逆變器的設備提供高可靠性。而RX651則非常適用于需要增強安全性、連接功能和HMI功能的物聯(lián)網(wǎng)設備。

步進電機

本方案采用了2個全橋FET驅(qū)動器HIP4082、1個低壓差線性穩(wěn)壓器RAA214220以及1個旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）IC RAA3064002/3的設計。HIP4082 H橋驅(qū)動器專門針對PWM電機控制和UPS應用。該器件的工作電壓高達80V，非常適用于中等功率水平的應用，且器件內(nèi)部不包含電荷泵，但具有上層驅(qū)動電路的非鎖存電平移位轉(zhuǎn)換控制。這樣的功能和規(guī)格對于尺寸和成本有需求的應用非常友好。

RAA214220低壓差線性穩(wěn)壓器具有2.5V–20V的寬輸入電壓范圍以及出色的線路和負載調(diào)節(jié)能力。并在內(nèi)部集成了多種故障保護功能，這些特性使其適用于電池供電和USB設備。RAA3064002/3 RDC IC的作用是將來自旋轉(zhuǎn)變壓器的角度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而供MCU處理。

借助這些器件，步進電機解決方案實現(xiàn)了以下特點：

通過帶有旋轉(zhuǎn)變壓器位置信息的伺服控制實現(xiàn)了無失步裕度，最大程度地提高電機扭矩，縮小電機尺寸，并通過減少齒輪（減速器）來降低BOM成本。

通過減小轉(zhuǎn)矩紋波的伺服控制實現(xiàn)低噪音和低振動。通過減少阻尼器和縮小系統(tǒng)尺寸來降低BOM成本。

通過用最小所需電流控制扭矩來減少功率消耗。通過降低電機的熱量產(chǎn)生來降低冷卻系統(tǒng)成本。

得益于這些性能，本方案可用于辦公自動化和工業(yè)應用的高性能電機驅(qū)動裝置，例如可用于掃描儀、多功能打印機和自動存款機。

BLDC電機設計

方案采用了RAA227063智能柵極驅(qū)動器IC和RAA3064002/3旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）IC。其中，RAA227063適用于三相無刷DC（BLDC）電機應用。它集成了三個半橋智能柵極驅(qū)動器，能夠驅(qū)動多達三個N溝道MOSFET橋，支持4.5V至60V的橋電壓。并具有可編程驅(qū)動強度控制。實現(xiàn)了可調(diào)和自適應死區(qū)時間，以確保魯棒性和靈活性。

BLDC電機解決方案是一款可用于自動引導車AGV、小型車、服務機器人和機動自行車應用的高性能電機驅(qū)動裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)以下優(yōu)勢：

使用高精度位置信息和高分辨率旋轉(zhuǎn)變壓器，通過伺服控制來實現(xiàn)精細運動/停止控制。

通過提高位置分辨率和優(yōu)化速度響應，來抑制旋轉(zhuǎn)不均的情況并減少造成震動的波紋。甚至可以在高速的情況下抑制震動/振動，并快速移動到目標值。

該旋轉(zhuǎn)變壓器由銅板或鋼板制成，無需精密零件，因此不易斷裂，并且經(jīng)久耐用。在任何環(huán)境下（如熱、油、灰塵和強振動）都能保持傳感器的功能和性能。

使用旋轉(zhuǎn)變壓器的電機控制設計將步進電機方案和BLDC電機方案結(jié)合在一起，為客戶帶來精確控制和高電機性能的同時，最大程度地減少了客戶的研發(fā)時間。未來，瑞薩也會在此基礎上繼續(xù)研發(fā)新的產(chǎn)品，為電機發(fā)展貢獻力量。