【经验】换个角度看电机和电磁驱动

图1 内在结构差异分类和控制复杂性

除了少数相互作用的对侧都主动出力的情况，所有拖动都有一个主动侧和一个被动侧。以被动侧的磁场如何产生作为1个维度，以主动侧磁枢（不一定有铁芯，如空心杯绕组）和被动侧磁极（磁扼）完全相对与否作为第2维可以把包括磁铁在内的所有电磁拖动装置分类成图1所示的6种组合。图1中的第3维于这种分类无关，是这些分类都可能有的工作模式或优化方向。

所有这些装置都有配合的电调部分，至少有配合的接触器和断路器。如果把励磁驱动和换向这些专门的电调剥离，也不考虑功率开关及其驱动器的种类，则电调部分可从其包括的功能层级和所管理的通道数2个维度分类。除了最简单的衔铁驱动可以使用半个开关臂外，电调部分总是成对地把开关接成推挽图腾柱使用。常见通道数是1/2/3/4/6/8通道，或0.5H/1H/1.5H/2H/3H/4H，其中H指H型桥接。图2给出了这些功能层级以及一个电调电路模块所包括的组合情况。电控都完整地包括从运动控制到功率开关的所有层级，差异只是其复杂性和如何分割。

图2 电控部分包括的功能层级

电磁拖动应用电路还有调压和驱动换向。把这两部分和图中电调、励磁和换流组织成一个选项，再配合额定工况，可以把拖动应用的电路模块或集成电路的用途、应用场合和包括的层级用下表表达出来。

除了兴趣使然，业者了解学习电磁拖动的目的不外乎寻找业务机会，需要了解电磁拖动清晰骨架下支末细节的复杂性。这个复杂性表现与3个方面有关，即所有拖动系统中所有的主动侧和被动侧都是互耦互易的，动作控制大多是嵌套的，以及开关元件特性不同/可控制要求不同导致的电路多样性。

主动侧线圈里面出力电流、励磁电流是伴随出现的。主动侧和被动侧之间的磁场由励磁和反励磁电流（感应电流）共同决定；进一步磁场梯度决定扭矩或推拉力，串联电流和（运动）反电动势（BEMF）决定出力。所观察和控制的量全部包括瞬时值及其变化率。如果负载拖动电机，包括负载惯性或是势能释放，反电动势成为主动的电动势（EMF）发电输出。绕组电感的漏感和励磁电感本身受不断变化的磁路产生参数调制产生非线性影响，都导致对电磁拖动的测量和控制都超出了线性系统的范围。大多设备的机械出力是洛伦兹力/安培力（感应力）和磁场储能势差/磁阻或凸极效应（磁阻力）的混合作用的结果。

图2显示了电机控制是一层层实现的。运动控制要求控制目标如何表现，参数控制把表现解释成对若干参数（扭矩、速度、相位）的控制，到这一步的层次可以认为是很清晰的。后面的层次则表现为复杂的嵌套和组合。

常态运行时从开关控制层起到开关驱动层则同时涉及3个不同层次的开关控制；一个（A）是控制给电机的电压或电流的控制，一个（B）是根据线圈位置改换驱动连接的开关控制，以及一个（C）给绕组产生一个等效电压/电流的斩波开关控制。（A）部分可能包括续流电感和储能电容，使其更像对纹波要求不高开关电源；（C）部分可能包括续流电感和电容，主要是用于减小开关浪涌。即使（A）到（C）全部合并到一个电路模块中实现，例如SPWM驱动模块，所产生的波形也是具有交替半正弦波低频包络的高频开关推挽脉冲序列。在这样的推挽脉冲序列的每个上冲和下冲过程都经历串联电感电流续流或归零（包括电流淬灭）的过程，每个上冲和下冲还有根据调速/调相/调扭矩要求决定在一定序列持续时间内中转入飞轮/快衰落（涡流减速）/主动刹车（反向激励和回授刹车）。动作的实现是驱动层完成的，选择哪种开关方式配合由开关控制层决定。暂态过程控制，比如拖入、脱出、嵌顿和抛载，前两个是主动要求的过程，后两个是被动触发的过程；后两个过程的反应是不同参数的拖入或脱出。拖入和脱出根据控制精细程度进一步分解成控制预案的堵转启动、扭矩维持、整步拖入和整步脱出，以及保护预案的保护脱出、失步运行（瘸行）和再整（尝试恢复）。

旋向依靠机械方法或依靠启动时磁极不对偶控制。除发电机和电磁铁外，其余拖动设备在启动时需要专门定向动作，包括短时间合成漏磁磁路和预留启动辅助绕组和（漏磁）磁回路。

拖动系统的强大惯性和与之相关的常态和暂态巨大负荷差异对从电源供应到负载输出都要有对应的设计，需要保护状态和常态之间设计一个过载状态和一个启动预备状态。两个状态出现在整个链路的各个环节并需要一定的可调整性。例如从电源的接触器、断路器需要容忍短时间堵转，同一电源链路上的其它设备则需要容忍短时间启动跌落（cold crane）。

驱动环节需要配合开关器件的特性。例如对IGBT的二次击穿风险需要以要求的式样驱动，对所由开关种类都需要驱动器就近配合保护动作，上下管协同减少死区。

拖动系统需要配合多个检测电路工作，这些检测电路用于保护和取得运行参数。除了电压电流检测，常用检测还包括位置、角度、相差、扭矩和转速检测；这些检测每种都有不同种类的变送器/传感器可能使用，需要不同的激励/读出电路。

电控产品以及电机本身的演进产生的阶段性的、有局限的概念累积和流传下来，导致的混淆使理解电控产品更加复杂。一个例子是在减低输出PWM波占空比使电机减速时可能观察到PWM包络幅度上升的现象被解释成是电机所固有的特性，从而要求选用较高电压裕度的驱动器和开关。这实际是突然降低占空比、电动势被推挽臂斩波形成升压过程，电源不能吸入或上管不允许倒流才会出现现象。另一个例子是采用反馈控制电流的步进电机或音圈电机驱动电路给定的电流是对应某静态位置的电流，如果在移动中（包括两个静态位置间的移动和连续地移动）则驱动电流并不是该电流，而需要增加一个与对负载的拖动输出有关的分量。这种有意无意的忽略掩盖了电机或音圈电机使用时超常的噪声和抖动由驱动设计不良产生真相。是把励磁电感电流回送到电源的过程还是把跟惯性储能有关的电动势送回到电源的过程是两个伴随的独立过程，并常常被混淆。

圣邦微电子SGM42507是一个为小电机驱动芯片（<7.5V，1.5A；有刷电机调速和换向、其它类电机绕组驱动）和电磁铁设计的全桥驱动器，可用于直流电机驱动、电机绕组驱动和电磁阀驱动等。它的工作模式完整，有堵转扭矩维持、调压PWM驱动、不制动（飞轮或滑行）、涡流制动（或对应慢衰落）、电流淬灭（对应快衰落，不直接对应主动制动或动能回授）欠压脱出保护和短路脱出保护，有足够的代表性。SGM42507选择了仅有6个引脚的TSOT23和SC70封装，需要复用1个输入引脚兼做输出和简单时序组合、利用仅有的2个控制引脚完成使能/休眠待机控制、驱动方向控制和不制动（电流淬灭后滑行或飞轮）、涡流制动、电流淬灭控制，以及以不同方式输出PWM和指定进入休眠待机后的驱动输出状态。对这2个控制端，即PH和EN\FAULT的操作及其作用见表1。

表1 对PH和EN\FAULT的控制及其作用汇总

SGM42507具有3个欠压脱出和2个过流脱出门限可选。堵转或过载发生触发过流门限时，SGM42507的OUTA和OUTB输出同时输出低，直到电流下降到滞回点。如果超过预定时间不能恢复，则OUTA和OUTB转同时输出高、尝试躲避正电源短路状态。如仍不能缓解，OUTA和OUTB在同时高和同时低之间按预定时间转换，使过电流导通分时通过上管和下管，减少应力。如出现过热或欠压，OUTA和OUTB转入高阻停止输出。过载时EN\FAULT被SGM42507强行下拉产生告警输出。下拉期间SGM42507忽视这种它自己产生的下拉，直到告警条件解除后再读取EN\FAULT输入状态。

图3 SGM42507利用EN\FAULT和PH组合控制的驱动波形

驱动直流电机一般需要完成起止、调速和换向几个动作。调速包括PWM调压调速和加速-飞轮（滑行）的调速方式。如果有换向绕组，可利用转换驱动方向来实现不同方向的驱动。对于利用预置扭矩方式确定旋向的电机，则无法利用驱动电路换向。不定向电机因停止时的阻力残留，往往导致每次启动方向不一致，可以利用再次启动换向。对启动的改善包括启动时输出较高电压，以及在启动堵转时利用暂停驱动产生顿挫减少静摩擦。SGM42507的抗堵转设计在输出电流达到脱出门限或电压低于脱出门限时转入下管或上管同时导通的续流状态、维持扭矩，并在过流、欠压恢复后继续驱动。

图4 SGM42507驱动直流电机静止-堵转-运转-静止-堵转-换向

图5 SGM42507驱动直流电机涡流制动过程

图6 SGM42507驱动-飞轮滑行-驱动及与驱动-涡流刹车的波形对照

可以利用单臂PWM输出变化有效输出电压的方式实现电机调速，有关波形见图7。如需要变化旋向则可通过调换PWM输出臂实现。这种方式电感电流处于慢衰减模式，电机以涡流方式减速，比采用双臂PWM方式减速慢，但功耗低。如果配合对PH的延迟驱动，则在2个PWM输出之间电机转入飞轮运行，可进一步降低功耗；这时驱动电路没有任何刹车作用。除了用于电机等感性负载，单臂PWM也可用于对阻性负载驱动的功率调节。

图7 SGM42507对直流电机单臂PWM调速驱动

双臂PWM输出的波形见图8。双臂PWM输出对速度调节较快，同时可实现旋向转换、用于双向调速和磁指针角度控制。双臂输出在1/2占空比时电机停转，电感平均电流为零。这时电感电流往复如图9所示，电感电流以快衰落往复。双臂PWM对阻性负载驱动无调节能力。

图8 SGM42507双臂PWM调速或磁指针偏转控制

图9 SGM42507双臂PWM输出时电机电感电流及其淬灭（快衰落）

图10 SGM42507单臂开关方式驱动电磁铁

驱动电磁铁/电磁阀时，一般由于绕组电阻偏大、行程小，真正利用电流、电压脱出的机会不多（除非使用高速强力大行程电磁铁）。图10的波形显示了一个衔铁弹簧自复位电磁铁在衔铁加速、限位和复位时的波形；可识别到限位撞击的复位行程发电。这些信号可为控制系统操作电磁铁/电磁阀提供状态参考依据，这种简单控制可用于一些要求不是很高的应用中，如红外滤光片翻板等。需控制加速、减速、急停和抖动吸收则需要利用外部电路快速控制SGM42507开关实现，利用飞轮状态方便监测复位过程。SGM42507响应速度快，可满足大多电磁铁/电磁阀驱动波形合成需要。双臂PWM方式可用于悬浮指针等任意定位应用。参考图11，借助其高速响应能力和移动反馈，它也可以用于开关驱动风门、光圈调节场合。

图11 SGM42507驱动带有移动反馈绕组电磁铁示意

图12 SGM42507用于双绕组电机驱动示意

SGM42507是一个完整的H桥，可用多个SGM42507来组成多绕组电机的绕组驱动。包括步进电机、磁阻电机、同步电机、异步电机的电调电路都包括位置或/和扭矩测量以及PWM或SPWM脉冲序列生成。参考图12，SGM42507可以配合电调部分实现驱动和驱动保护。