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以传统电机控制器设计为基础对几种隔离方法进行比较

电机控制设计加油站 2018-12-17 15:23 次阅读

隔离是交流电压电机驱动不可分割的一部分。电气隔离的方法有多种——主要采用光耦合器和数字隔离器。使用数字隔离器与传统的光耦合器相比具有数种优势——其中包括成本更低、元件数量更少、可靠性更强。本文以传统电机控制器设计为基础,对几种隔离方法进行比较,以突显数字隔离器的优势。

光耦合器与数字隔离器的背景知识

光耦合器使用LED发出的光将数据通过隔离栅传输到一个光电二极管。当LED开启和关闭时,将在电气隔离光电二极管一端产生逻辑高和低信号。光耦合器的速度与光电二极管检波器的速率以及为其二极管电容充电的时间直接相关。提升速度的一种方式是提高LED电流,但其代价是功耗的增加。

而基于变压器的数字隔离器借助变压器以磁性方式将数据通过隔离栅进行耦合。变压器电流脉冲通过一个线圈,形成一个很小的局部磁场,从而在另一个线圈生成感应电流。变压器的传输速率自然比光耦合器快很多。而且变压器为差分架构,具有出色的共模瞬变抗扰度。另外,由于数字隔离器基于变压器,而光耦合器则基于LED,因此,数字隔离器的可靠性/MTTF要远远优于光耦合器。

电机驱动设计中的隔离

图1所示为Boston Engineering Corporation开发的高电压FlexMC电机控制驱动的框图(http://www.boston-engineering.com/),它能与ADSP-CM40x混合信号控制处理器对接。它接收一个通用交流输入,提供一个功率因数校正(PFC)前端,驱动一个永磁同步电机(PMSM),并为一个带传感器或不带传感器的控制装置提供必要的反馈调理,此装置运行于ARM® Cortex™-M4混合信号控制处理器ADSP-CM40x及一个16位高精度模拟前端。中间部分是一个隔离栅,位于高电压电源电子元件和控制器之间。电机电源电子元件随高电压电势而浮动,而ADSP-CM40x处理器则以接地为基准,因此需要进行隔离。本文将讨论选择数字隔离器而非光电耦合器将如何改善该设计。

图1. 电机控制框图

在闭环电机控制设计中,两个关键的硬件构成为脉冲宽度调制(PWM)控制器输出和电机相位电流反馈。这些信号(如框图所示)通过隔离栅。另外,隔离器的使用还可惠及几种其他功能,包括数字通信和低电压、低功耗和隔离DC-DC转换。

PWM隔离

对功率级进行脉冲宽度调制,这是所有电机驱动的核心所在。开关频率范围一般为10 kHz – 20 kHz。在优化控制性能时,对脉冲宽度、停滞时间和通道间延迟的精密控制显得至关重要。在为PWM控制信号选择适当的隔离器件时,数字隔离器在性能和成本两个方面都要远远优于同级别的光耦合器选项(见表1中的比较)。

表1. PWM数字隔离器与光耦合器的比较

例如,控制器将在开关信号之间引入停滞时间,以防止任何高端和低端晶体管对同时传导(即直通)。停滞时间为功率开关的开启和关闭延迟以及隔离电路所致延迟的不确定性的函数。ADuM1310数字隔离器的通道间匹配时间仅为2 ns,光耦合器则高达500 ns。采用数字隔离器可以大幅缩减停滞时间,从而提高功率逆变器的性能。另外,如比较表中所示,除了性能以外,ADuM1310还是一种集成度更高的解决方案,可以减少元件数量和物料成本。电机相位电流多数高级电机驱动以电机相位电流为主反馈。为了提供连续的反馈,将超低电阻分流电阻与电机相位串联起来。然而,这会增加电路的复杂性,因为需要测量毫伏级的信号以及以快速dv/dt高频切换的百伏级共模电压摆幅。对于这种设计,两个AD7401A隔离式Σ-Δ调制器用来测量电机绕组电流,数字位流则由ADSP-CM40x上的数字过滤电路进行处理。ADSP-CM40x的内置sinc滤波器允许与隔离式Σ-Δ型调制器实现无缝连接。第三相电流可以基于另外两相电流以数学方法计算得到,以减少功耗、降低元件成本。AD7401A在单封装中集成了一个差分采样保持级、一个Σ-Δ调制器和数字隔离机制。高电压端模拟信号被转换成一个数字串行数据流,然后通过隔离栅传输至低电压端。

AD7401A还含有一个时钟输入引脚,只需一个时钟源,即可同时对各器件进行测量。正如表2所示,市场上的确存在集成度和成本类似的光耦合器;然而,数字隔离器技术在功耗、速度和可靠性方面的表现仍然更加突出,这是与器件的基础结构相关的,更不用说AD7401A出色的调制器性能。

表2. 相位电流数字隔离器与光耦合器比较

数字通信

表3. I2C数字隔离器与光耦合器的比较

隔离电源

数字隔离器技术给这种设计带来的另一优势在于可以产生超低电平的隔离电源。两个ADuM5000器件用于产生5 V隔离电源,具备最高500 mW的功率输出能力。这些用于驱动Σ-Δ转换器的模拟端,后者会随快速变化的电机电压而浮动。这些隔离电源与数据隔离器采用相同的技术,因此,它们都内置了一个开关频率为180 MHz的变压器。这一频率比标准DC-DC转换器高出三个数量级,因而允许大幅缩减尺寸。ADuM5000器件采用SOIC-16封装,是提供低功率隔离电压的一种简便方案。

原文标题:交流电压电机驱动的数字隔离

文章出处:【微信号:motorcontrol365,微信公众号:电机控制设计加油站】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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GR是H桥电机驱动器IC,可以控制4种前进,后退,制动和待机模式。该IC采用微型封装,适用于DSC或手机相机模块的步进电机驱动系统。 特性 优势 内置热保护电路 热保护 内置低压故障预防电路 低压保护 包括用于驱动光电传感器的晶体管 更少的外部组件 输出ON电阻:1.2ohm (总计上限和下限),效率高 内置光电传感器驱动晶体管 少外部元件 VCT封装(3 x 3mm) 小型设计足迹 饱和度驱动器H桥:4个通道 应用 终端产品 步进电机 工业 便携式和无线 相机 PoE安全摄像头 数码相机 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 19:02 14次 阅读
LV8411GR 4通道步进电机驱动器

AMIS-30622 带I的步进电机驱动器和控制器

0622是步进电机驱动器系列的成员,其位置控制器和控制/诊断接口集成在一个芯片中。该系列产品包括两种产品:带有LIN接口的AMIS-30621,可以构建与LIN主站远程连接的专用机电一体化解决方案。 AMIS-30622具有SERIAL接口,可作为微控制器旁边的外围设备。芯片通过接口接收高级定位指令,然后驱动电机线圈直到达到所需位置。片上位置控制器可配置(OTP和接口),适用于不同的电机类型,定位范围和速度,加速和减速参数。 AMIS-30622充当总线上的从机,主机可以从每个单独的从节点获取特定的状态信息,如实际位置,错误标志等。 特性 微步((1 / 2,1 / 4,1 / 8,1 / 16) 低共振&安培;噪音 高分辨率 可编程峰值电流高达800mA 20kHz PWM电流控制 自动选择快速&慢衰减模式 内部反激式FET 完全集成的电流检测 8V-29V电源电压 符合汽车标准 完整的诊断和状态信息 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 19:02 21次 阅读
AMIS-30622 带I的步进电机驱动器和控制器

AMIS-30621 带LIN总线的微步电动机驱动器和控制器

0621是一款带有位置控制器和控制诊断接口的单片微步进电机驱动器。它可以构建与LIN主机远程连接的专用机电一体化解决方案。芯片通过总线接收定位指令,然后将电机线圈驱动到所需位置。片上位置控制器可配置(OTP或RAM)不同的电机类型,定位范围和速度,加速度和减速度参数。 AMIS-30621充当LIN总线上的从机,主机可以从每个单独的从节点获取特定的状态信息,如实际位置,错误标志等。该芯片采用I2T100技术实现,可同时实现高压同一芯片上的模拟电路和数字功能。 AMIS-30621完全兼容汽车电压要求。 特性 自动选择快速和慢速衰减模式。 无需外部反激二极管。 可配置的速度和加速度。 现场可编程节点地址。 动态分配标识符。 物理层和数据链路层(符合LIN rev.1.3)。 LIN总线短路保护供应和地面。 高温警告和管理。 失去LIN安全操作。 Micro - 步进技术。 峰值电流高达800 mA。 固定频率PWM电流控制。 快速自动选择慢速衰减模式。 无需外部反激二极管。 符合14 V汽车系统。 这是一个无铅设备。 应用 汽车应用,...
发表于 07-30 19:02 60次 阅读
AMIS-30621 带LIN总线的微步电动机驱动器和控制器

AMIS-30422 用于外部FET的步进电机驱动器/控制器

0422是一款微步进步进电机桥控制器,适用于大电流范围双极应用。芯片通过SPI接口与外部控制器连接,以控制两个外部功率NMOS H桥。它具有片上稳压器,电流检测,自适应PWM控制器和具有智能斜率控制开关的预驱动器,使该器件符合EMC标准,适用于工业和汽车应用。它使用专有的PWM算法进行可靠的电流控制。 特性 两相步进电机的双H桥预驱动器 通过SPI编程可编程电流 片上电流转换器 SPI接口 速度和负载角度输出 9步模式从完整步长到128微步 通过两个外部检测电阻的电流检测 自动选择快速和慢速衰减的PWM电流控制 具有可选电压斜率的低EMC PWM 全输出保护和诊断 热警告和关机 与3.3 V微控制器兼容 集成3.3 V稳压器为外部微控制器供电 用于复位外部微控制器的集成复位功能 综合监察功能 应用 终端产品 电机控制 HVAC 工业控制系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 19:02 57次 阅读
AMIS-30422 用于外部FET的步进电机驱动器/控制器

AMIS-30543 微步电机驱动器

543是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过IO引脚和SPI接口与外部微控制器连接。它具有片上稳压器,复位输出和看门狗复位功能,可为外围设备供电。 AMIS30543包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号以及DIR(方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。芯片提供速度和负载角度输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它使用专有的PWM算法进行可靠的电流控制。 AMIS30543采用I2T100技术实现,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 特性 优势 可编程峰值电流高达3A 高度集成和降低系统成本 128微步 更高的系统分辨率和更安静的电机操作 速度和负载角度输出 启用真正的无传感器闭环控制电机 可编程PWM电压斜率 优化的EMC配置文件 有源反激式二极管 降低BOM成本和提高可靠性 集成电源和监视器支持rt用于外部MCU 降低总系统复杂性和BOM成本 应用 终端产品 数控设备 工业制造设备 纺织设备 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 19:02 84次 阅读
AMIS-30543 微步电机驱动器

AMIS-30532 微步进电机驱动器

0532是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。它具有片上稳压器,复位输出和看门狗复位功能,能够为外围设备供电。 AMIS-30532包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号和DIR(=方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。该芯片提供所谓的速度和负载角输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它使用专有的PWM算法进行可靠的电流控制。 AMIS-30532采用I2T100技术,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 AMIS-30532非常适用于汽车,工业,医疗和海洋环境中的通用步进电机应用。通过片上稳压器,它进一步降低了机电一体化步进应用的BOM。 特性 用于两相步进电机的双H桥 使用5位电流DAC,可编程峰值电流高达1.6 A连续(3.0 A短时间) 片上电流转换器 SPI接口 速度和负载角度输出 从全步到32步的七步模式 完全集成的电流检测 PWM电流控制,自动选择快速和慢速衰减 具有可选电压斜率的低EMC PWM 有源反激二极...
发表于 07-30 13:02 72次 阅读
AMIS-30532 微步进电机驱动器

AMIS-30522 具有全面诊断反馈和SLA输出的步进电机驱动器

0522是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。它具有片上稳压器,复位输出和看门狗复位功能,能够为外围设备供电。 AMIS-30522包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号和DIR(方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。芯片提供速度和负载角度输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它使用专有的PWM算法实现可靠的电流控制。 AMIS-30522采用I2T100技术,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 AMIS-30522非常适用于汽车,工业,医疗和海洋环境中的通用步进电机应用。通过片上稳压器,它进一步降低了机电一体化步进应用的BOM。 特性 优势 集成5V稳压器 供应外部微控制器 集成复位功能 重置外部微控制器 片上电流转换器 SPI接口 速度和负载角度输出 七步模式,从全步到32微-steps 完全集成的电流检测 自动PWM控制c选择快速和慢速衰减 低具有可选电压斜率的EMC PWM 主动飞行-back二极...
发表于 07-30 13:02 65次 阅读
AMIS-30522 具有全面诊断反馈和SLA输出的步进电机驱动器

NCV70517 微步进电机驱动器

17是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。 NCV70517包含一个电流转换表,根据“NXT”输入引脚上的时钟信号和“DIR”(=方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。如果检测到电气错误,欠压或升高的结温,芯片会提供错误消息。它采用专有的PWM算法实现可靠的电流控制.NCV70517完全兼容汽车电压要求,非常适用于汽车,工业,医疗和海洋环境中的通用步进电机应用。由于该技术,设备特别适用于电池供电波动的应用。 特性 用于两相步进电机的双H桥 可编程峰值电流高达800 mA 低温升压电流高达1100 mA 片上电流转换器 SPI接口 5步骤模式,从全步骤到16个微步骤 完全集成的电流检测和电流-regu lation 反电动势测量 片上失速检测 自动选择PWM电流控制Fast和SlowDecay 固定PWM频率 有源反激二极管 全输出保护和诊断 热警告和关机 兼容3.3 V微控制器,5 V容差输入,5个VTolerant漏极开路输出 重置功能 过流保护 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符...
发表于 07-30 12:02 58次 阅读
NCV70517 微步进电机驱动器

AMIS-30624 带有I2C总线和失速检测的微步进电机驱动器和控制器

0624是一款单芯片微步进电机驱动器,带有位置控制器和控制/诊断接口。它已准备好构建智能外围设备系统,其中最多可将32个驱动程序连接到一个I 2 C主站。这大大降低了系统复杂性。设备通过总线接收定位指令,然后驱动定子线圈,使两相步进电机移动到所需位置。片上位置控制器可配置(OTP或RAM),用于不同的电机类型,定位范围和速度,加速度和减速度参数。微步进允许静音电机操作和增加定位分辨率。先进的运动鉴定模式可根据所选运动参数验证整个机械系统。 AMIS-30624可以轻松连接到I 2 C总线,其中I 2 C主站可以从每个主机获取特定的状态信息,如实际位置,错误标志等。单个从动节点。集成的无传感器失速检测功能可在电机失速时停止。这样可以在参考运行期间实现静音但精确的位置校准,并在接近机械终点时实现半闭环操作。该器件采用I2T100技术实现,同时支持高压模拟电路和数字功能芯片。 AMIS-30624完全兼容汽车电压要求。 特性 无传感器失速检测 峰值电流高达800mA 固定频率PWM电流 - 控制 位置控制器 可配置的速度和加速度 用于inter的双向2线总线-IC control 现场可编程节点...
发表于 07-30 12:02 64次 阅读
AMIS-30624 带有I2C总线和失速检测的微步进电机驱动器和控制器

NCV7750 4通道低侧继电器驱动器

0是一款汽车八通道低侧驱动器,每通道可提供高达600 mA的驱动能力。输出控制通过SPI端口提供,可方便地报告开路负载(或对地短路),过载和过温条件下的故障。此外,可通过INx引脚寻址输出的并行控制。专用的跛行回家模式引脚(LHI)使能OUT1至OUT4。每个输出驱动器都受到过载电流保护,并包含一个用于感性负载的输出钳位。 NCV7750采用SSOP24熔断引线封装。 特性 优势 没有开路检测的电源 允许在没有LED负载照明的情况下上电。 低静态电流 符合严格的汽车模块静态电流要求。 16位SPI控制 能够报告错误并且能够菊花链连接。 Limp Home功能 汽车系统功能允许车辆使用有缺陷的微处理器维持运行。 3.3V和5V兼容的数字输入电源范围 适用于3.3V和5V微处理器接口。 开路负载,过载和故障报告温度过高 微压器并报告异常活动以进行故障排除和系统完整性。 加电复位 保持系统通电和断电顺畅。 一侧所有输出的统一输出结构包。 简化印刷电路板布局。 AEC-Q100合格 汽车要求维护现场和变更控制。 4频道 600 ...
发表于 07-30 12:02 40次 阅读
NCV7750 4通道低侧继电器驱动器

AMIS-30521 具有全面诊断反馈和SLA输出的步进电机驱动器

21是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。 NCV70521包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号和DIR(方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。该芯片提供所谓的速度和负载角输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它使用专有的PWM算法实现可靠的电流控制。 NCV70521采用I2T100技术实现,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 NCV70521非常适用于汽车环境中的通用步进电机应用。 特性 使用5位电流DAC可编程峰值电流高达1.5 A On-芯片电流转换器 SPI接口 速度和负载角输出 完整的7步模式-step最多32个微步 完全集成的电流检测 自动选择快速和慢速衰减的PWM电流控制 具有可选电压斜率的低EMC PWM 有源反激二极管 完整输出保护和诊断 热警告和关闭 与5V和3.3V微控制器兼容 终端产品 汽车前照灯位置 襟翼/阀门控制发动机管理 折叠显示器 HVAC和LPG膨胀阀 电路图、引脚图和...
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AMIS-30521 具有全面诊断反馈和SLA输出的步进电机驱动器

AMIS-30512 微步电机驱动器

0512是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。它具有片上稳压器,复位输出和看门狗复位功能,能够为外围设备供电。 AMIS-30512包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号和DIR(方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。该芯片提供所谓的速度和负载角输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它采用专有的PWM算法实现可靠的电流控制。 AMIS-30512采用I2T100技术,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 AMIS-30512非常适用于汽车,工业,医疗和海洋环境中的通用步进电机应用。 特性 用于两相步进电机的双H桥 可编程峰值电流上升使用5位电流DAC达到800 mA 片上电流转换器 SPI接口 速度和负载角度输出 从全步到32步的七步模式 完全集成的电流检测 自动选择快速和慢速衰减的PWM电流控制 低EMC PWM可选择的电压斜率 有源反激二极管 完整输出保护和诊断 热警告和关机 兼容3.3 V微控制器,5.0 V...
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