以更少的成本获得更多——Technosoft

通过用实时嵌入式软件取代硬件，DSP技术在过去十年中显著降低了工业驱动器的物理复杂性。今天，DSP技术也被用来最小化，甚至替换电机安装的反馈设备。这种新趋势的结果是，运动系统变得更强大，更便宜。本文探讨了几种交流伺服电机反馈方案，使数字DSP驱动器成为可能。

AC伺服:性价比高
交流伺服电机继续成为运动控制行业的工作马。然而，传统上，利用其性能传统上以多个反馈设备的成本和增加的布线。这是因为需要实时测量位置，速度和电角度，θ需要完全利用该机器的能力。

在这种方案中，三个换向传感器，S1, S2和S3，提供了转子位置的绝对测量值，误差不超过60电度。在启动过程中读取换向传感器，以便电流可以以一种粗糙的方式以适当的角度开始施加。当电机开始旋转时，编码器通道A和B的相对位置计数在换向传感器边缘被捕获。这个捕获的值是任意的，并被用作校准信号“theta”与转子的绝对电角度的偏移量。一旦对齐，然后从通道A+B增量驱动theta，并提供一个精确的电角度测量。

信号通常用作驱动场变换的输入。磁场转换的作用类似于交流电到直流电和直流电到交流电的转换，这样就可以测量电机电流，并对转子的位置或电角度施加电压。这种转换方法被称为“面向领域的控制”。FOC的好处是，位置、速度和电流可以用直流方式动态控制，而不依赖于转子的电角度。

改进感应空间
虽然使用换向编码器仍然受欢迎，但这种方法存在一些缺点。具体地，在启动电动机之后，通常不使用换向信号。如果这些信号被差别驱动，则这意味着仅出于启动电动机的目的存在6个额外的电线。额外的布线增加了成本并且可以降低可靠性，尤其是在反馈布线经常弯曲的机制中。第二个问题是，并非所有编码器都提供换向信号。因此，一些交流伺服电机配有增量编码器加磁厅传感器，以检测转子位置。这种替代方法为电机增加了额外的组件计数，成本和体积。

将DSP送到工作
顾名思义，数字信号处理器是独特的适用于实时控制和信号处理的任务。由于基于DSP的驱动器继续发展，设计人员正在寻找利用其功能的新方法。在交流伺服控制的情况下，这意味着现在正在提供更新的软件技术来替换对换向信号的需求，编码器A + B信号，以及在某些情况下。

A+B编码器只开始
消除换向传感器的需要的诀窍是找到一种用于在启动时确定电角度的替代方法。一种这样的方法是通过以固定角度升高到一个设定的时间段，通过将电流升高到高电平的电极位置。在这种情况下，转子自然地跳到并沉淀在预设位置。虽然这种方法很简单，但缺点是它是“开环”，并且必须在每个应用程序中占该缺点。必须考虑载荷摩擦，惯性和启动角度随时间和温度的变化。这种方法还会在启动期间引起大量的轴运动，这在某些应用中是不可接受的。

线性霍尔传感器
消除交换信号S1、S2和S3的另一种方法是消除编码器A+B+I通道。这种方法还可以节省多达6根电线。用换向反馈单独启动电机不是问题;但接下来的挑战是如何合成速度和位置精确控制所需的更高分辨率的反馈。

实现这一任务的一种方法是用线性霍尔器件代替通常使用的数字霍尔器件。如果仔细注意在电机的磁路内放置线性霍尔传感器，就可以产生两相或三相移位的正弦信号。DSP可以读取这些模拟输入(即2在90度，或3在120度)，并使用插值来确定绝对轴的位置，以相对较高的精度。

例如，给定一个4极电机，2个线性霍尔传感器，DSP上的x256插补，电机轴的位置可以计算为1:24 24，或者0.3机械度左右。这个级别的分辨率对于许多应用程序来说已经足够了。使用磁霍尔传感器代替光学编码器可以提高对恶劣环境污染的免疫力。线性霍尔信号的低频特性也可以简化布线和EMC问题。低频反馈允许更高的操作速度，否则可能受到高分辨率增量编码器的使用的限制。

无传感器控制
在某些应用中，甚至可以通过进一步利用dsp的处理能力来消除这两组反馈信号。物理反馈装置可以通过测量施加的电压和产生的电流的终端数量来代替。在这种情况下，只有电机的相位引线连接到驱动器。这种方法被称为无传感器控制。

无传感器控制的技巧是找出转子位置作为变量与可直接测量的实数之间的数学关系。

估算器是一种特殊的控制滤波器，可重复猜测，或者根据电机电感，电阻，极限计数和磁通量分布的预先存在的知识来估计轴角。每次处理过滤器时，将估计的位置值用于计算施加电压和测量电流的终端数量。这些计算出的端子量与实际测量的数量之间的差异在原始猜测中提供了错误的指示。

然后用积分器将猜测过程中的位置误差驱动到零。积分器的操作方法是在每个新的猜测值上加或减一段距离，随后迫使计算的终端量与测量值相匹配。在此过程中，可以间接地实时识别和控制轴的位置。

无传感器午餐并不完全免费
在实践中，这种广义无传感器控制方法确实存在一些局限性。从整体上看这个过程，它通过观察电机的反电动势对施加电压和产生电流的影响来发挥作用。这里的一个基本限制是，当电机在低速运行时，不足的反电动势存在，以显著影响这些测量值。换句话说，位置反馈通常在零速度时丢失。因此，交流伺服无传感器控制通常仅限于变速应用。只有在特殊情况下，电机参数的变化可能是轴的位置的函数，才能使无传感器控制在零速度运行。

这种无传感器控制形式的第二个限制涉及电机的启动。在没有硬线反馈的情况下，大多数启动算法涉及将电机锁定到极点位置，然后在切换到闭环控制之前将其拖动到速度上。交流伺服电机一般构造为低极计数机。这意味着在拖拽过程中，载荷可以在一个大的机械角度上自由振荡，很难控制。如果负载摩擦过低，或者负载惯性过大，电机在加速时就会从一个极位跳到下一个极位，最终失速。这一行为与步进电机在遇到共振频率时下降脉冲的行为完全相同。

dsp易于实施
尽管无传感器控制存在巨大的挑战，但它的优点已经在许多实际应用中得到了成功的证明。dsp处于扩大无传感器控制的实际应用范围的前沿。在与传统ASIC和基于微处理器的解决方案的竞争中，dsp提供了灵活性和提高处理能力，以应对计算要求很高的应用。通过软件控制提供的灵活性意味着独特的解决方案可以针对特定的应用程序来解决启动和操作范围的问题。

把它们放在一起
健壮的运动系统设计通常是将关键技术和专业领域结合起来，形成最佳的系统级解决方案的结果。在所有应用中都存在特殊条件，当进行集体分析时，这些条件将指向最适合的技术和技术。

在交流伺服电机的情况下，基于DSP的驱动器提供了更广泛的反馈可能性。因此，运动系统设计师可以自由考虑更广泛的潜在系统级别解决方案。我们的目标是用更少的钱获得更多。

医疗应用要求在小空间中进行高性能。Faulhaber无刷直流伺服电机使用线性霍尔反馈来消除通常与光学编码器相关的卷。Technosoft的IBL2403驱动器插值模拟霍尔信号以提供高分辨率的位置反馈。

无传感器控制非常适用于需要通过环境密封进行磁耦合的应用。在转子和定子之间可以插入非磁性材料，使敏感电子设备远离危险环境。