利用电机控制开发套件实现应用设计

您可能知道电机控制应用多年来一直在使用MCU，但您可能不知道用于电机控制的最早的MCU实际上是针对功率逆变器的工业市场，专为将DC电源转换为AC而设计。一旦认识到波形输出功能如脉冲宽度调制（PWM）具有解决电机控制设计的潜力，事情就会迅速发生。如今，MCU几乎可用于所有可以想象的电机控制应用;通过在随附的电源模块中使用新的控制算法和功率因数校正，电机效率得到显着提高。

据估计，与电动机相关的电力占世界能源使用量的20％以上，很容易看出提高效率是所有新电机控制设计的主要关注点。然而，这些新算法比传统方法复杂得多，因此MCU制造商已经创建了完整的开发套件和参考设计，以加速这些重要应用的开发。本文将回顾最近推出的电机控制开发套件的样本，为您选择适合您下一次应用的套件提供坚实的背景。

一个好的起点

如下面的屏幕截图（图1）所示，该库由目标应用程序组织，例如AC/DC和DC/DC转换，音频放大器，能量收集，照明和电机控制。如果选择一个应用程序，如电机控制，则会出现过滤器窗口，如图右侧所示，您可以在搜索过程中指定几列项目。例如，如果您想要一个具有过流保护和功率因数校正的三相感应电机的电机控制参考设计，您将获得几个显示来自德州仪器，Microchip和意法半导体的套件。您可以查看工具包功能，数据表和用户指南的摘要，以找到适合您应用的正确工具。

图1：数字关键参考设计库搜索功能 - 电机控制。 （由Digi-Key提供）

适用于各种应用的电机控制开发套件

由于各种电机控制应用和算法，一些开发套件可用多目标系统。您可能希望选择针对多种类型电机的参考设计，以防您考虑多种不同的设计，并且希望尝试在每种电机中使用相同的MCU来充分利用开发成本。使用Dig-Key参考设计库，您可以选择多种类型的电机，并查看哪些套件可以支持所有电机。例如，通过查看三相无刷直流（BLDC）电机和三相永磁同步电机（PMSM），您可以找到针对这两种应用的目标套件。让我们更详细地看一下。

Microchip dsPICDEM MCHV开发系统旨在快速评估和开发无刷直流（BLDC）电机，永磁同步电机（PMSM）和交流感应电机（ACIM），用于传感器或无传感器操作。该系统可以采用不同的方式配置，以便与Microchip专用的电机控制DSC配合使用，并提供一个安装选项，用于连接28引脚SOIC器件或通用100引脚插件模块（PIM）。

dsPICDEM系统有一个三相电源模块设备，包含电机逆变器和栅极驱动器电路。该电路使用不同的控制技术驱动BLDC，PMSM或ACIM电机，无需任何额外的硬件。它还具有功率因数校正（PFC）电路，为面向效率的电机控制应用提供完整的解决方案。图2显示了与套件相关的硬件，如左图所示，右侧的框图显示了系统的主要组件 - 左侧的PFC电源模块和右侧的电机控制模块。

图2：Microchip dsPICDEM MCHV电机控制开发套件。 （由Microchip提供）

逆变器的额定连续输出电流为6.5 A（RMS）。在最高30°C的环境温度环境中，当从208 V至230 V单相输入电压运行时，这允许高达约2 kVA的输出。因此，该系统非常适合运行额定功率高达1.4 kW（1.8 HP）的标准三相感应电动机或额定值稍高的工业伺服电动机。功率模块能够驱动其他类型的电动机和电负载，其不超过最大功率限制并且主要是电感性的。此外，可以使用一个或两个逆变器输出来驱动单相负载。该器件能够在90 V至最高265 V范围内工作。

请注意，dsPIC DSC MCU涉及电机控制和PFC部分的设计。 dsPIC MCU的PFC PWM输出和故障检测与响应提供了大量信息，可简化任何具有功效要求的设计。这两个模块设计为独立的板，便于使用原理图，电路板布局和定制材料清单。坚固的外壳带来了标准接头的所有关键接口 - USB，RS-232和程序/调试，传感器，开关，LED和三相逆变桥接器 - 使开发系统成为电机原型设计的理想测试平台 - 控制设计。

步进电机控制器

步进电机的控制使用一种更简单的算法，因此可以使用集成了更多模拟和功率控制的专用外设来实现通常可用于MCU的电路。例如，在Digi-Key参考设计库中搜索步进电机参考设计时，将出现德州仪器DRV8818EVM双极步进电机控制器参考设计。该参考设计采用DRV8818步进电机控制器，集成了微步进分度逻辑和两个N沟道功率MOSFET H桥驱动器。简单的步进/方向接口可以轻松连接控制器电路。引脚允许以全步，半步，四分之一或八步模式配置电机。衰减模式和PWM关断时间是可编程的。

图3左侧所示的评估模块硬件可以通过USB电缆连接到PC，以控制和评估DRV8818在带有实际电机的测试系统中的运行。基于PC的控制软件具有简单易用的图形用户界面（GUI），如图3右侧所示，允许用户更改控制参数，如启动速度，所需速度，停止速度，步进设置和加速度。可立即确定对电机的影响，并捕获最佳设置以用于最终设计。

图3：德州仪器DRV8818步进电机控制器参考设计。 （由德州仪器公司提供）

PC上托管的GUI控制系统通常包含在大多数电机控制评估套件和参考设计中。它们加速了为各种应用程序评估目标系统的过程，并且通常包括可以作为更广泛的测试或开发环境的一部分在最终设计中使用的代码。寻找具有代码库的套件，包括电机控制和测试，以便在设计上获得最大的开端。

控制大功率电机

例如，搜索功率为1 kW的设计将调用STMicroelectronics STEVAL-IHM025V1演示套件（现已过时）。如图4所示，该套件非常坚固，正如您所期望的那样，支持高达1 kW的电机。

图4：STMicroelectronics 1000 W电机控制套件。 （由ST Microelectronics提供）

该套件通常与STMicroelectronics评估板配合使用，处理整体控制功能，IHM025V1用作外部电机的电源和电源模块。评估板是供应商STM32磁场定向控制（FOC）电机控制固件库 1 的便捷目标。该库提供了创建自己的FOC电机控制设计所需的高级算法和低级驱动器。这种对开发套件的增强可能是至关重要的，特别是对于非常复杂的电机控制算法。一个关键功能库，允许设计人员简单地指定关键参数来创建生产就绪代码，可以比仅提供示例代码的参考设计节省大量时间，并让设计师通过开发和填充“填补”空白测试他们自己的惯例。寻找电机控制库作为参考设计的一个元素，以实现最高效和最强大的实现。