向工业4.0的过渡加速了机器人的应用，cobots(在共同的工作空间与人类互动的合作机器人)，以及工厂车间的其他先进机器，以产生更高水平的生产力。此外，新能源标准要求电力效率不断提高。
总之，这些新的要求在几个领域引发了新的设计挑战，包括网络通信、分布式传感和精密运动控制。
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电动机及其控制系统:节能的关键因素
当前一代的工厂工作单元，如工业机器人所示图1，采用多电机。事实上，根据一些研究，电动机占工业用电的三分之二左右。因此，毫无疑问，开发节能电机和控制策略是至关重要的。
1.机器人和其他工厂4.0应用需要精确的电机控制和低能耗。(来源:模拟设备）
有几种电机技术被用于工厂车间:有刷直流电机(BDC)和无刷直流电机(BLDC)，交流感应电机，步进电机，伺服电机等。在直流电机中，由于无刷直流电机具有更高的效率、更高的转矩重量比、更高的可靠性和更低的噪声，因此它比无刷直流电机更受青睐。
无刷直流电机也需要较少的维护，但有一个缺点:它需要一个更复杂和昂贵的控制器。下直流电机的设计采用永磁体定子，并依赖绕线转子的机械换向;而无刷直流电机则相反，它有一个绕线定子和一个永磁转子。
因此，无刷直流电机需要电子换向。控制器必须按规定的顺序给定子绕组通电，以保持转子组件的旋转。完成这需要知道转子的位置。安装在转子上的传感器可以直接提供这些信息，控制器也可以根据各相绕组的电压和电流进行计算。
无刷直流电机控制系统通常还包括一个电源管理模块、一个人机界面(HMI)、一种连接到工厂网络的方法，可能还包括一个可编程逻辑控制器(PLC)的接口。图2显示系统框图及其各种功能块的集合。ADI产品为深蓝色。
2.机器人马达控制系统包括几个独立的模块，用红色标出。(来源:Digi-Key）
隔离在工业电机控制设计中的关键作用
图2包括几个用红色突出显示的ADI设备，它们将隔离与标准模拟或数字功能结合在一起。电隔离——将电气系统的功能部分隔离以防止电流在它们之间流动——是许多工业设计的关键要求。
隔离装置防止直流和不需要的交流电流在输入和输出之间传播，同时传递所需的信号。它使用具有高击穿电压和低漏电流的隔离屏障来实现这一点。没有电阻路径存在，但该设备仍然可以通过电容、感应或光学技术传递信息。
将设计的各个部分隔离开来有几个原因。安全是其中之一，保护操作人员和其他设备免受许多工业操作中存在的高电压和电流的影响。
功能隔离解决了与安全无关的问题。例如，在一个工业工厂的两个独立的电气系统之间，地面参考电平可能相差很大。这种差异会导致数字传输中的错误。在模拟电路中，器件之间的任何直流接地差都会增加不必要的偏移误差;交流的变化会影响信号的谐波含量。在电路中增加一个隔离装置可以纠正这种接地差异。
在某些应用中，感兴趣的低电平信号可能依赖于较大的共模(CM)电压。该电压可能大于下游设备的全量程或超过其过电压限制，并造成损坏。隔离装置可以阻断共模电压，并确保只有被测量的信号通过隔离栅。缺点是，在非隔离设计中增加隔离会增加系统成本，增加电力消耗，并降低数据传输速率。
作为模拟、混合信号和数字信号处理(DSP)集成电路的领导者，模拟设备公司。(ADI)提供许多隔离产品，适用于电机控制信号链的不同部分:隔离门驱动器;隔离传感电路，如运放和模数转换器(adc);和隔离的通信设备，如RS-485收发器。
有几种技术可以跨隔离屏障传输信息。光隔离——用发光二极管(LED)将电信号转换为光，然后将光脉冲通过填满模具化合物的间隙传输到光电探测器——一直以来都是一种流行的选择。然而，随着LED的老化，光耦合器的性能会随着时间而改变。此外，寄生电容提供了一个不必要的耦合机制，降低了共模瞬态免疫(CMTI)。
阿迪的我耦合器技术使用芯片规模的变压器，通过磁感应跨越屏障传输高速数字数据。一个iCoupler变压器(图3)采用由聚酰亚胺或二氧化硅(SiO)隔离层隔开的两个线圈2)．变压器结构的对称特性允许使用高级编码解码方案的通用处理块，从而实现更快、更一致的操作和双向数据传输选项。
3.iCoupler芯片级变压器(a)导致了优越的传播延迟和偏斜(b)相对于光隔离。(来源:模拟设备）
如图3所示我与基于光耦合器的隔离器相比，耦合器变压器技术提供了更低的传播延迟和歪斜。这对于电机控制设计师来说是很重要的，因为他们可以减少由于门驱动器的变化而产生的误差。它允许他们减少死区时间，导致更低的失真的电机输出电压。其结果是在低速运行时振动更小，扭矩脉动更小，作为热量浪费的能量更少。
阿迪iso电力设备结合隔离信号传输和隔离电力传输。功率微型变压器开关高达300兆赫兹的高效率。即便如此,一个iso由于变压器的半径小(~0.5 mm)，功率器件的电磁辐射很小——在300 mhz时小于500 pW。
一种电机控制系统的功能模块
我们将回顾无刷直流控制系统的主要功能块，并重点介绍几种帮助设计师添加隔离功能的ADI产品。
的电机驱动块独立驱动每个三相绕组。它通常由六个栅极驱动器驱动六个功率晶体管构成三个半桥。功率晶体管可以是硅igbt(绝缘栅双极晶体管)或mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，但为了实现更高的效率，正在增加使用SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)的宽带隙(WBG)功率开关。
与硅相比，WBG功率开关具有极低的开关损耗。因此，他们非常高效，但对大门司机提出了严格的要求。模拟器件的隔离栅极驱动器是为这些更高的开关速度而设计的，同时仍然提供对mosfet和igbt的可靠控制。
的ADuM3223 / ADuM4223半桥闸司机雇用我耦合器技术，提供独立和隔离的高侧和低侧输出。该设备可以提供4-A峰值输出电流，工作在高达1 MHz。ADuM3223提供3 kv rms隔离在窄体，16引脚SOIC封装，而ADuM4223提供5 kv rms隔离在宽体，16引脚SOIC封装。每台设备的额定电压符合UL1577隔离标准。
ADuM3223/ADuM4223提供两个独立的隔离通道，并在输入端提供3.0到5.5 V的供电电压，提供与低电压系统的兼容性。输出可连续工作至537 V峰相对于其输入，允许低侧切换到负电压。高侧和低侧之间的差峰电压可能高达800 V。
因此，ADuM3223 / ADuM4223提供了可靠的控制开关特性的WBG和IGBT/MOSFET配置在广泛的正负开关电压范围。
驱动系统的另一部分捕获电机的相电压和相电流，并将数据提供给数字核心。它还捕获转子位置直接通过解析器或光学编码器。测量用于关闭控制回路，实现诊断和检测故障。
这些信号的精确测量需要精密的模拟元件，如运放、adc、数模转换器(dac)，或更专业的集成电路，如分解-数字转换器(rdc)。
4.AD7402结合隔离和模数转换。(来源:模拟设备）
AD7402 sigma-delta (Σ-Δ) ADC图4非常适合隔离应用，通过监测负载电流通过分流电阻产生的电压来检测电流流。AD7402捕获模拟电压，使用一个二阶Σ-Δ调制器将其转换为一个具有10 MHz数据率的one密度数字输出流，并通过我耦合器隔离屏障。在屏障的输出端，数字滤波器重建原始信号。通过为分流电阻选择适当的值，可以监测各种电流范围。
的通信与控制模块将电机控制器与工厂网络和HMI或PLC连接起来。网络接口通常是以太网的工业版本，如EtherCAT或Profinet，尽管也可以使用Profibus或其他现场总线。该模块还包含到可编程逻辑控制器(PLC)或工业PC的系统控制接口，以及模拟或数字输入/输出(I/O)端口。
在这个区块中，一个独立的接口通常也是设计需求。两个iso适用于电机控制的动力产品有ADM2682孤立的rs - 485 / RS422收发器(图5)和ADM3053隔离控制器区域网络(CAN)收发器。CAN是一种内置碰撞检测的多主协议，广泛应用于汽车和工业网络。
5.ADM268x具有数字隔离和一个隔离的dc-dc转换器在单个包。(来源:模拟设备）
ADM2682收发器工作在高达16mb /s，并可配置为半或全双工操作。设备提供5kv隔离，符合UL1577及适用的CSA和VDE隔离标准。ADM3053具有2.5 kv rms隔离信号和电源，并传输数据高达1 Mb/s。
根据需要的控制策略，数字控制块可以包含许多设备:一个专用电机控制器，一个数字信号处理器(DSP)，一个微控制器(MCU)，或一个系统芯片(SoC)设备，将几个功能块集合在一起。图5所示系统的核心是一个来自Analog Devices的混合信号控制处理器ADSP-CM408．该设备的特点是ARM Cortex-M4运行在240 MHz的浮点单元(FPU)，加上为电机控制优化的外设。模拟模块包括两个16位连续逼近寄存器(SAR) adc和两个12位dac。
ADSP-CM048还包含四个三阶/四阶SINC滤波器对，用于与Σ-Δ调制器(如AD7402)的简单接口，以及一个谐波分析引擎(HAE)，该引擎分析采样输入数据，并产生基波和高达12次谐波的电能质量测量。
马达控制设计者的ADI资源
Analog Devices早就认识到电机控制设计的困难，并为其产品提供全面的支持和设计抵押品。ADI的应用信号链页面来自实验室的电路例如，Site通过显示各种电路类型和应用的信号链的框图，为设计者提供了广泛的帮助。信号链中的每个区块都包含向下钻取到选择指南和应用信息的链接。参考设计讨论并应用最佳实践设计技术。
这一技术文章详细讨论了功能齐全的永磁同步电机(PMSM)驱动，具有功率因数校正、通信信号隔离和光学编码器反馈。它结合了来自IAR和MathWorks的编程工具，使用面向场的控制(FOC)算法实现了一个电机控制设计。
ADI的综合产品组合和广泛的设计支持，帮助设计师轻松添加隔离到他们的电机控制系统。
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