Napędy serwo, silniki i urządzenia, które je kontrolują, reprezentują zrównoważone możliwości wzrostu, napędzane innowacjami w systemach motoryzacyjnych i przemysłowych oraz postępach w technologii produkcji. Oczekuje się, że branża motoryzacyjna i transportowa uwzględni największy udział w silnikach serwo i napędza sprzedaż w latach 2022–2022. Zapotrzebowanie na dyski, kontrolery i silniki serwoterskie pozostaje silne, aby pomóc firmom w poprawie wydajności w środowiskach przemysłowych.
Wymagania i technologie kontroli prędkości/momentu obrotowego różnią się w zależności od typu silnika, od prostej kontroli napięcia i prądu dla silników prądu stałego i silników ogólnego przez Digitalowe napędowe silniki obwodu. Nawet w przypadku tradycyjnych silników analogowych, takich jak silniki indukcyjne i przełączane typy niechęci, dzisiejszej tradycyjnej technologii analogowej towarzyszy coraz bardziej wyrafinowane cyfrowe metody kontroli, które umożliwiają wdrożenie rozwiązań przy niskich kosztach. Zastosowanie urządzeń mikroelektronicznych umożliwia lepszą prędkość, pozycję i kontrolę momentu obrotowego, a także wyższą wydajność.
Rysunek 1: Schemat blokowy sterowania silnikiem (obraz: maksyma zintegrowana)
Obwody sterowania silnikiem muszą szybko włączać i wyłączać prąd w cewkach silnikowych, jednocześnie minimalizując straty przełączania lub przewodzenia. Zarówno MOSFETS, jak i izolowana bipolarne tranzystory (IGBT) zaspokajają potrzeby kontroli silnika w różnych zastosowaniach. Te elektryczne urządzenia sterujące mają podobne funkcje i atrybuty, a ich wewnętrzna konstrukcja nakłada się. W większości aplikacji są one używane w konfiguracji mostka H do kontrolowania bieżącej ścieżki do dwóch lub więcej cewek silnikowych. Umożliwia to pełną kontrolę nad prędkością i kierunkiem silnika (ryc. 1).
Przegląd silnika
Każdy projekt projektowy, który obejmuje wymaganie napędu silnika lub mechanicznego, musi ocenić, czy użyć ciągłego prądu, czy silnika krokowego lub serwomechanizmu. W ciągłym silniku do utworzenia statycznego pola magnetycznego stosuje się stałe magnesy lub uzwojenia. Rotor składa się z cewek, w których prąd wchodzi przez szczotki grafitowe wciśnięte w kolektor na obracającym się wale. Obecne przepływa przez kolejne uzwojenia, aby utrzymać obrót.
Silniki AC mogą być synchroniczne lub asynchroniczne. W silnikach asynchronicznych (znanych również jako silniki indukcyjne) uzwojenia stojana są ułożone tak, aby tworzyć rozkład z grubsza sinusoidalny. Silniki synchroniczne obejmują bezszczotkowe silniki prądu stałego i prądu przemiennego, a także przełączane silniki niechęci i silniki napędzane przez sinusoidalne źródła napięcia.
W silnikach bezszczotkowych wirnik ma stałe magnesy, a uzwojenia znajdujące się w stojanie są napędzane przez elektronikę kontrolną w odpowiedniej sekwencji. Bezszczotkowy silnik prądu stałego jest napędzany ciągłą sekwencją przełączania sygnału na różnych uzwojeniach stojana. Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego można wytwarzać jako synchroniczne silniki prądu przemiennego z magnesami stałymi; W tym przypadku są one kierowane sygnałami sinusoidalnymi. Brak pędzli zwiększa wydajność poprzez eliminowanie źródeł tarcia. Brak części mechanicznych na przełącznikach umożliwia osiągnięcie wyższych prędkości obrotowych.
Silniki krokowe to bezszczotkowe silniki synchroniczne zasilane przez DC. Rotor pozostaje stacjonarny w określonej pozycji. Silniki krokowe mogą bardzo dokładnie obrócić wał wirnika o kilka stopni bez użycia czujników do wykrywania pozycji kątowej.
Kluczowe parametry
Podobnie jak w przypadku większości elementów elektronicznych, wiele parametrów kluczowych i określonych wydajności określa początkową korespondencję między urządzeniem a aplikacją. Kluczowe parametry dla urządzeń sterujących silnikami są bieżące i zarządzania napięciem, ponieważ określają one, czy dany komponent może obsługiwać wymagania dotyczące obciążenia silnika.
W przypadku MOSFET kolejnymi kluczowymi parametrami są aktywny rezystancja (RDS (ON)) i pojemność bramki. Niższy rezystancja zmniejsza straty oporowe i spadek napięcia podczas stanu ON, co zmniejsza obciążenie rozpraszające i poprawia wydajność. Pojemność bramki określa częstotliwość i prędkość prądu wymaganą do pełnego włączenia i wyłączenia bramki w żądanym czasie przejścia (prędkość przełączania). W przypadku IGBT następnym parametrem krytycznym jest spadek napięcia (VDrop), który jest sumą wkładów z diod i wewnętrznych mosfetów przechodzących przez połączenie PN. Poziomy temperatury i prądu wpływają na parametry RDS (ON) i VDrop.
Zasadniczo MOSFETS oferują wyższe prędkości przełączania (w MHz) i wyższe prądy szczytowe. IGBT oferują bieżące wartości około 10 A i są solidne, ale mają wolniejsze prędkości przełączania. W przypadku aplikacji sterowania silnikiem podstawową zasadą jest to, że MOSFET są lepszym wyborem dla niższego napięcia i prądu oraz wyższej częstotliwości przełączania, podczas gdy IGBT są lepszym wyborem dla wyższego napięcia/prądu i niższej częstotliwości.