系统级架构

<strong>Jeff Watson 和 Gustavo Castro</strong>

<strong>简介</strong>

许多行业都需要能够在极端高温等恶劣环境下可靠工作的电子设备。依照传统做法，在设计需要在常温范围之外工作的电子设备时，工程师必须采用主动或被动冷却技术，但某些应用可能无法进行冷却，或是电子设备在高温下工作时更为有利，可提升系统可靠性或降低成本。这便提出了影响电子系统方方面面的诸多挑战，包括硅、封装、认证方法和设计技术。

<strong>高温应用</strong>

最古老以及目前最大的高温电子设备(>150°C)应用领域是地下石油和天然气行业（图1）。在该应用中，工作温度和地下井深成函数关系。全球地热梯度一般为25°C/km深度，某些地区更大。

<strong>作者：youshuang ding</strong>

在机器人中，执行机构一般分为液压驱动和电机驱动两种类型，其中又以电机驱动最为常见。本文主要讨论一般机器人驱动机构中电机的选择问题。

机器人中常用的电机分为有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机、步进电机等。其中在中小型机器人（尺寸在15cm-30cm）中，由于价格便宜，定位精度高，直流电机以及无刷直流电机最为常见。本文主要讨论直流电机的选择方法。

第一部分：电机要求

直流电机简介：

在市场上，存在着多种多样的直流电机。据不完全估计，单就国内就有上千家电机生产厂家。更不要提日本、德国等老牌电机生产强国。即使对于一个很小的直流电机，它都具有复杂的内部结构和大量的产品资料。这里，我们仅从机器人的角度出发考虑其对电机性能的要求。

电机的选择往往是我们对于电机性能的要求与我们可以接受价格的折衷。因而，在电机选择过程中，我们需要整体考虑电机的各个参数，从中筛选出对我们重要的参数，结合我们的需要，选择合适的电机。

对于一个电机来说，其往往具有多条运行特性曲线，这里我们将列出其中最重要的一些特性，然后对这些特性进行一些解释。对于一个电机，从机器人驱动的角度，我们主要的关心的有：

电机作为一个把电能往机械能转换的设备，一般都是工作在高速旋转的状态下的。然而如何让这匹脱缰的野马悬崖勒马让浪子回头，关键时刻说停就停的学问可不是想象中那么简单的。电机运行的知识看的多了，这里让我们来研究一下让电机停下来的门道。

文武之道，一张一弛。君子处事，能放能收。电机的控制同样如此，既要能让电机说走就走进入工作状态，也要能让电机当停则停听人指挥。如果电动汽车不能随时刹车、电梯不能随心所欲的停在指定楼层、起重机不能把吊起的货物稳定的悬挂在半空中，这将是怎样一副荒唐而混乱的景象？

如何使电机旋转起来，答案比较简单，给他电让他输出动能即可。但让它在关键时刻说停就停就没那么简单了，电机正转到高潮如何能马上停下来？

一般来说，电机的制动分为两种，没技术含量的和有技术含量的。没技术含量的就是机械制动简单粗暴，一个大刹车片或者抱闸就能解决问题。但是靠着摩擦摩擦来搞定制动毕竟不牢靠，刹车片磨损之后也许容易出危险。所以有技术含量的制动方式是什么呢？有技术含量的叫做电力制动，相对于暴力的机械制动，电力制动属于内家功夫。电力制动又要细分为：反接制动、能耗制动和再生制动。

<br/>

<strong>产品详情</strong>

ADP1974-EVALZ是一款开环评估板，可用于测试ADP1974特性。 ADP1974是一款恒定频率、电压模式、双向同步脉冲宽度调制(PWM)控制器，用于降压/升压、DC-DC、电池充电和放电应用。 连接至外部、高电压场效应晶体管(FET)、半桥驱动器和外部控制器件（如AD8450-EVALZ）时，ADP1974-EVALZ可用于评估完整闭环应用中的ADP1974。

ADP1974-EVALZ可用于测试精密使能、引脚可选电池充电或循环工作模式、带可编程相移的内部和外部同步控制、PWM占空比控制、可编程最大占空比、可编程死区以及可编程峰值打嗝电流限值等内置特性。 可进行评估的其它保护特性包括软启动、输入电压欠压闭锁（UVLO）、故障信号和热关断（TSD）。

ADP1974数据手册提供ADP1974的完整规格，使用评估板时应同时参考用户指南与数据手册。

<strong>特点</strong>

<br/>
电动车电机根据其使用环境与使用频率的不同，形式也不同。不同形式的电机其特点也不一样。电动车电机普遍采用永磁直流电机。所谓永磁电机，是指电机线圈采用永磁体激磁，不采用线圈激磁的方式。这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了电机机电转换效率，这对使用车载有限能源的电动车来讲，可以降低行驶电流，延长续行里程。

电动车电机按照电机的通电形式来分，可分为有刷电机和无刷电机两大类;按照电机总成的机械结构来分，一般分为“有齿”(电机转速高，需要经过齿轮减速)和“无齿”(电机扭矩输出不经过任何减速)两大类。电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。

<strong>组成结构</strong>

1.永磁式直流电机：

由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成。

定子磁极采用永磁体(永久磁钢)，有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。

转子一般采用硅钢片叠压而成，漆包线绕在转子铁心的两槽之间(三槽即有三个绕组)，其各接头分别焊在换向器的金属片上。

<br/>
<strong>简介</strong>

出于可靠性原因，处理大功率的集成电路越来越需要达到热管理要求。所有半导体都针对结温(TJ)规定了安全上限，通常为150°C(有时为175°C)。与最大电源电压一样，最大结温是一种最差情况限制，不得超过此值。在保守设计中，一般留有充分的安全裕量。请注意，这一点至关重要，因为半导体的寿命与工作结温成反比。简单而言，IC温度越低，越有可能达到最长寿命。

这种功率和温度限制是很重要的，典型的数据手册中都有描述，如图1所示。图中所示为一款8引脚SOIC器件AD8017AR。

<strong>简介</strong>

<strong>更严苛的能源法规推动电机控制创新</strong>

在当今不断扩展的工业市场上，对电力的需求正以前所未有的速率增长。其中，超过40%的电力需求来源于各类工业电机。由于这个原因，各国政府和全球认证机构正在面向电机OEM和最终用户制定新的法规以及更严苛的能效要求。就像很多伟大的技术创新一样，市场上需要有一种迫切的需求，才会有所变革。

ADI早在多年前就意识到，更智能、高效率电机控制系统的新时代将是一个电机控制工业新标准涌现的时代。出于这样的认识，ADI与战略合作伙伴共同开发了一个全面的集成式电机控制设计程序；这些战略合作伙伴都是各自领域内的专家(MathWorks、®ARM、® Boston Engineering、® IAR Systems®和Xilinx®)，目的在于解决整个系统的架构问题，实现效率最大化的同时改善系统精度和可靠性。

ADI以系统级的角度(见图1)来看待这些挑战，开发的产品不仅超越了性能规格，还代表了电路其他功能模块之间的最佳接口。这种系统解决方案的方法让ADI能够为基于工业的客户提供完整的集成式解决方案，并在实现规格要求的同时帮助他们满足最新、最苛刻的能源法规。

<br/>
ADI公司的ADSP-CM4xx混合信号控制处理器采用ARM®-Cortex™ M4处理器内核，集成高精度ADC、数字加速器和滤波器、SRAM和闪存以及丰富的外设。此处理器适合要求高性能实时控制和模拟转换的各类嵌入式应用。

<br/>
本应用笔记介绍ADSP-CM402F/ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ ADSP-CM408F/ADSP-CM409F脉冲宽度调制器(PWM)的主要特性及其三相交流电机控制应用。PWM外设能够驱动多种功率逆变器应用的逆变器,包括标准三相交流逆变器、多级交流逆变器和各种DC/DC转换器。共有三个 PWM外设模块,每个具有四对PWM输出。控制器支持所 有交流电机类型,并且包括支持六步控制无刷直流(BLDC) 电机和控制开关磁阻电机的特性。

本应用笔记重点介绍三 相交流逆变器控制。有关PWM控制器全部特性和配置寄存器的更多信息,请参阅采用ARM Cortex-M4的ADSP-CM40x混合信号控制处理器硬件参考手册以及ADSP-CM40x Enablement Package软件中的文档。

<br/>
<strong>产品详情</strong>

ADSP-CM409F混合信号控制处理器集成双通道高精度16位ADC和一个ARM® Cortex-M4TM处理器内核，其浮点运算单元工作于240 MHz的内核时钟频率，集成384KB SRAM存储器、2MB闪存，以及专门针对光伏(PV)逆变器控制、电机控制和其他嵌入式控制应用而优化的加速器和外设。

<strong>推荐新设计使用</strong>

带13+ ENOB ADC、BGA212的240MHz ARM Cortex-M4

<strong>优势和特点</strong>

＊ 双通道16位SAR ADC，无失码，13+ ENOB，转换速率达380ns，适应于高精度闭环控制应用。
＊ 240 MHz ARM Cortex M4内核集成浮点运算单元，可支持高级编程模型和复杂算法。
＊ 384KB SRAM和2MB闪存，从容应对大程序。
＊ 级PWM和定时器功能，可有效提升转矩波动和电机性能。
＊ SINC滤波器，可无缝连接AD74xx隔离式转换器。