Juno MC71113、MC73113和MC78113是最新发布的集成电路，集成了高速外环控制功能和速度控制功能，适用于三相无刷直流和直流刷电机。用于控制压力、温度、液位、磁性轴承、化学反应速率和其他医疗、工业和军事应用的“外回路”数量的理想设备，这些设备可以通过微处理器控制或直接模拟或数字信号命令操作。

如图1所示，外环的输出成为电机速度环的输入，电机速度环反过来命令转矩环。任何可测量的外环量都可以被控制，只要所要求的电机速度成比例地影响所测量的外环量。

图1:朱诺外环控制IC流程图

应用实例包括通风机，其中无刷直流(BLDC)电机涡轮的速度直接影响测量的室压，以及工艺温度控制，其中泵的流量引入冷却流体降低过程室温度。通过集成外环功能与速度控制功能在一个单一的IC在控制环率高达10 kHz，前所未有的精度和控制外环数量是可能的。

朱诺外环控制ic是PMD的朱诺家族速度和扭矩控制ic的最新添加，提供主轴控制，离心机控制，精密扭矩控制，和各种其他液体处理和实验室自动化应用程序的功能。朱诺外回路控制ic可提供64针TQFP封装，尺寸为12 × 12毫米。这些集成电路可立即提供，价格从23美元，取决于电机类型控制和数量。

可用配置

朱诺外环控制芯片是控制外回路数量的单轴装置和三相无刷直流电机和直流有刷电机。提供三种IC选择，如下表所示:

连接图

图2:朱诺外环控制ic连接图

功能概述

在启动或重置时，Juno检查其内部NVRAM中存储的配置命令是否存在。如果编写了NVRAM，则将存储的配置命令读入活动控制寄存器，提供将在操作期间使用的参数信息。

如果没有初始配置存储在NVRAM中，则使用默认值，然后信息将由主机设备(如微处理器)发送。可用的主机接口包括异步串行(点对点和多滴)、SPI(串行外设接口)和CANbus 2.0。

根据Juno控制环路的配置方式，外部模拟信号可以作为外部环路命令值或SPI(串行外围接口)端口用于该命令。或者，一个内部的轮廓发生器可以被一个主微处理器命令来生成外部的循环命令值。

朱诺通过PID(比例，积分，微分)过滤器提供了外部回路数量的控制，如压力或温度。外环控制使用朱诺转速表模拟信号或数字SPI端口反馈测量的压力或温度。

“朱诺”号的速度回路直接接收来自上游外回路的指令。测量的速度可以来自编码器、霍尔传感器或转速计信号反馈。PI环，双双四滤波器和死带滤波器允许非常精确的速度控制实现。

磁场定向控制(FOC)的相位和电流控制是通过电机线圈直接输入代表瞬时电流的模拟信号来实现的。这些信号通常来自于放大器电路的外部跌落电阻或霍尔传感器。然后将模拟电流信息与霍尔传感器或编码器信号的转子角度信息相结合，产生每个电机相位的PWM输出信号。

为了创建一个完整的外环控制器，朱诺连接到开关放大器，通常是MOSFET或igbt。可编程死时间功能和其他定时和电流感应控制参数，确保开关同步和电流控制是最优的整个操作范围的驱动电机。

Juno集成电路包含了许多安全功能，包括分流控制、I2t限流、刹车信号输入、直流母线过压和欠压检测、过流检测和过温检测。

典型的应用

伺服电机压力和温度控制

图3:无刷直流电机的压力控制

应用领域:压力控制、流量控制、温度控制、磁轴承控制、检流计控制、液位控制。

在这个配置中，JunoMC71113，MC73113,或MC78113IC接收直接模拟或直接数字SPI(串行外围接口)命令，表示瞬时所需的压力或温度，或主机微处理器命令，表示所需的压力或温度剖面。压力或温度传感器提供模拟或直接输入SPI反馈信号。虽然无刷直流电机在图中显示，直流电刷电机可能是类似的使用。

只要测量量与电机转速或驱动执行器输出大致成线性关系，朱诺还可以实现其他类型的外环控制。这些外回路量包括压力、温度、流量、液位、磁轴承控制、化学反应控制、相变控制等。

在上图中所示的压力控制功能，但温度控制也可以通过替换温度传感器来实现，并让电机泵引入或多或少的冷却(或加热)流体。

关键特性

外回路控制器

图4:外回路计算流程

上图提供了朱诺号外环控制模块的详细算法视图。该模块提供了一个可编程的外部循环功能，支持广泛的应用。

虽然该模块通常配置为直接输入外部电路的命令，但外部环路命令也可能来自Juno IC的内部剖面发生器。

该回路模块利用所需要的外回路命令和所测的外回路量来制定回路误差值，通过PID(比例、积分、导数)滤波器，然后输出到速度回路模块。

外环路控制器还提供了复杂的滤波和定制功能，形式为在AnalogCmd信号输入上的用户可编程双四滤波器，在速度命令输入上分离可编程上和下输出限死带滤波器，以及带符号的Kout环路输出增益因子。这些滤波器和增益因子可以用来改善控制，并配置外环与广泛的外环传感器一起工作。

可设置的参数

朱诺集成电路为高性能外环控制做好了100%的准备。所有所需的专门算法，表格，和计算包含在IC内。用户需要简单地设置他们的特定应用和伺服电机的控制参数。

为了控制外循环，用户可以设置10个参数:Kp、Ki、Kd、limit、Dtime、Kvel、Kout、Outposlimit、Outneglimit和Pouter。三种增益因素的PID(比例、积分、微分)控制器,一个积分的贡献是有限的,一个是导数采样时间,一个是一个比例因子,应用只有当命令源设置为概要文件生成器,一个是输出比例因子总是应用,两个是对循环输出值的有符号限制，一个是位置/外部循环的循环时间周期。

为外环控制器增益确定正确的Kp, Ki, KD和极限参数可以通过多种方式完成，但最简单的是利用PMD的Pro-Motion软件包提供的调谐设施。

速度控制回路

图5:速度环路控制流

图5给出了朱诺速度回路控制模块的控制流程总结。该模块提供了一个可编程的速度循环功能，支持广泛的应用。

该环路模块利用外部环路模块输出提供的所需速度命令和测量的速度来开发环路误差值，该值通过PI(比例，积分)滤波器并输出到电流环路模块。

速度环路还提供了复杂的滤波能力，位于速度反馈路径的双四滤波器，以及速度命令输入的死带滤波器。这些滤波器可以用来平滑速度和提高稳定性的运动系统被控制。

可设置的参数

为了控制速度环，三个参数与PI环有关:Kp, Ki和limit。其中两个是PI(比例，积分)控制器的增益因子，一个是积分贡献的极限。附加设置可用于Kvel和Kout。这是一个速度环路比例因子和一个环路输出比例因子。

为电流环控制器增益确定正确的Kp, Ki和极限参数可以通过多种方式完成，但最简单的是利用PMD的Pro-Motion软件包中提供的调谐设施。

静带滤波器

图6:死带滤波函数

朱诺外环控制芯片提供一个与速度环路相关联的死带滤波器，当命令速度大约为零时，它可能有助于减少搜索。

上图显示了指令速度的死带滤波器的形式，它线性地从一个较大的负指令值，通过一个零值，到一个较大的正值。这张图显示了死带输出值与指令速度值接近并持续超过零之间的关系。对于从正命令值遍历到负命令值的命令值(有效地反转所示箭头的方向)，其形式在形状上类似，但通过上限和下限值之间的差异向下和向左移动。

在每个计算周期，死带滤波器使用指令速度(滤波器的输入)和死带滤波器的输出来确定一个新的死带滤波器输出值。

可设置的参数

提供了两个参数来控制死带滤波器，DBlow和BHhigh。第一个是死带下限，第二个是死带上限。

Biquad过滤

图7:Biquad计算流程

如图7所示，双四滤波器包括在AnalogCmd信号指令源的输入和朱诺速度环路的反馈通路。对于可能需要它的应用，双四极管提供了一种复杂的工具来平滑系统的功能，减少振动，并减少被控制系统中的共振。

双四极管可以被编程来创建不同的滤波功能，包括引线/滞后，带通，低通，陷波和其他滤波器类型。典型的系统开发过程包括对被控系统进行开环频率扫描，以了解其频率响应中的死点和共振。根据这些信息，可以编写双四滤波器，从而降低或消除这些系统的非线性。

可设置的参数

朱诺外环控制芯片有两个双四滤波器，分别为双四1和双四2。Biquad1位于电机反馈路径，而biquad2位于AnalogCmd输入信号。有5个可设置的双四滤波器参数A1、A2、B0、B1、B2。此外，如果不使用，每个过滤器可以单独启用或禁用。

配置文件生成

图8:内部生成的速度剖面

虽然许多应用程序将使用模拟或SPI(串行外围接口)信号命令一个瞬时外部循环值，但朱诺外部循环控制ic还包括一个内部轮廓生成器，允许生成任意外部循环命令轮廓。配置文件生成器与外部微处理器或其他利用Juno主机命令端口(串行点对点、串行多点、CANbus或SPI)的主机一起使用，以指定命令配置文件。

为了控制概要生成器，用户指定外部循环命令增加(加速)的期望速率、减少(减速)的速率和允许的最大命令值。利用这些目标参数，朱诺的剖面生成器执行计算，以确定任意给定时刻的瞬时指令外循环值。这些瞬时剖面值称为指令值。

外部循环命令配置文件的执行方式是按照用户指定的加速速率不断加速，直到达到用户指定的最大外部循环命令。最大外循环参数的符号决定了外循环命令的初始符号。当指定的新最大命令值小于当前最大命令值(以数量级表示)时，或者新最大命令的符号与外部循环命令符号相反时，配置文件按用户指定的减速速度减速。

可设置的参数

为了控制朱诺的内部轮廓发生器，指定了三个参数:最大外循环命令、外循环命令的增加速率(加速度)和减速。所有这些参数都可以“实时”更新，以创建复杂的轮廓形状。

磁场定向控制和电流回路

图9:电流环和换向控制流

上图总结了朱诺电流环换相模块的控制流程。电流控制是一种用于直流电刷和无刷直流电机的技术，用于控制通过电机的每个绕组的电流(因此扭矩)。通过控制电流，响应时间提高，电机效率更高，运动平滑度增加。换向仅用于无刷直流电机，利用电机转子角度的信息来驱动多相电机输出。

朱诺数字为每个电机绕组电流循环利用所需的电流随着实测电流由直接输入模拟信号输入到朱诺IC。无刷直流电机这些信号然后算法从一个旋转坐标系转换为一个旋转框架。转换后的结果称为D相电流和Q相电流。然后减去命令和实际的D和Q相电流，产生一个误差，然后通过PI(比例，积分)滤波器。

最后，将D和Q相位PI滤波器的输出转换回三相不旋转参考系，并作为电机各相位的电机指令输出。这种换流和电流控制技术被称为场定向控制(FOC)，需要电机转子相位角的信息来产生正确的相位输出信号。绝大多数的应用将使用FOC来控制无刷直流电机。FOC通常提供最高的最高速度和更节能的电机操作。

朱诺集成电路的第二种无刷直流电动机被称为第三支浮动电机。第三支腿浮动有时可以提供更高的最高速度比FOC。它使用了与FOC不同的方法，在任何时候，三条腿中只有两条被驱动，而第三条腿(非驱动腿)保持漂浮。可考虑采用霍尔换向无刷直流电机的第三支路浮动控制方式。

选择面向现场的控制或第三支腿浮动是用户可编程。对于直流电刷电机，电流环方法是固定的，不需要用户设置。此外，由于它们是单相设备，电流环不需要关于电机转子角度的信息。

可设置的参数

为了在FOC模式下控制电流环，为D环和Q环指定了三个参数:Kp, Ki和limit。其中两个是PI(比例，积分)控制器的增益因子，一个是积分贡献的极限。

为电流环控制器增益确定正确的Kp, Ki和极限参数可以通过多种方式完成，但最简单的是利用PMD提供的调谐设施Pro-Motion®软件包中。如果使用直流电刷电机或如果电流环被设置为第三支路浮动，那么只有Q环的Kp, Ki和极限参数被设置。

PWM (Pulse Width Modulation)信号产生

朱诺外环控制芯片可以通过单独的高/低开关输入控制来控制高效的MOSFET或IGBT功率级。直流电刷电机在由4个开关组成的h桥配置中驱动，而无刷直流电机在由6个开关组成的三桥半桥配置中驱动。

图10:PWM高/低信号产生

在PWM高/低模式下，每个电机或每个电机相位使用两个输出引脚，允许单独的高侧/低侧控制每个桥开关。在此方案中，如上图所示，高边输出和低边输出从不同时有功，一般有一段时间，两个输出都没有有功。这段时间称为死区时间，为MOSFET或IGBT开关提供击穿保护功能。

死时间以nsec的形式指定。正确的值可以从MOSFET或IGBT IC制造商的数据表中确定。

除了死区时间，一些高侧开关驱动电路需要一个最小的关闭时间，以允许电荷泵电路刷新。该参数称为刷新时间，以nsec为单位。刷新时间周期(即关闭时间刷新之间的时间间隔)的相关参数以当前循环周期为单位。

它也可以控制最大允许的PWM占空比。这可能有助于限制电机绕组的有效电压，或为开关放大器电路提供一些其他需要的断开时间。

图11:无刷直流电机桥架配置

可设置的参数

为了控制PWM的产生，指定了五个参数;PWM开关频率可以设置为20、40、80或120 kHz, PWM死时间以nsec指定，PWM刷新时间和PWM刷新周期，一起控制电荷泵电路刷新时间，以及PWM占空比限制。

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