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如何简化电源管理方案设计

伺服驱动器(servo drives)又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统 。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品 。
伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中 。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点 。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法 。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。
在伺服驱动器速度闭环中，电机转子实时速度测量精度对于改善速度环的转速控制动静态特性至关重要 。为寻求测量精度与系统成本的平衡，一般采用增量式光电编码器作为测速传感器，与其对应的常用测速方法为M/T测速法 。M/T测速法虽然具有一定的测量精度和较宽的测量范围，但这种方法有其固有的缺陷，主要包括：1)测速周期内必须检测到至少一个完整的码盘脉冲，限制了可测转速;2)用于测速的2个控制系统定时器开关难以严格保持同步，在速度变化较大的测量场合中无法保证测速精度 。因此应用该测速法的传统速度环设计方案难以提高伺服驱动器速度跟随与控制性能。
工作原理
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制，
可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化 。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击 。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电 。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机 。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程 。整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路 。
随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究 。从电源的角度来说，过去数十年间，业界持续专注于提升大规模运算和信号处理的效能 。与此同时，电子和IT系统的服务需求呈指数级增长，尤其是人工智能和物联网等新兴技术的快速发展让智能化理念逐渐渗透到人们生活的方方面面，推动了终端产品应用和电子消费升级 。这一趋势进一步引发业界对电源管理的要求不断提高 。
本文引用地址: https://power.21ic.com//dc/technical/201809/76160.html
当前，仅互联网基础设施所消耗的电能估计就占到发电量的数个百分点，且所有电能在投入使用前都需经历控制、转换、调节和过滤流程 。1968年，几乎没有工程师能够预想到处理器的出现，尽管其本质上类似于CMOS，其操作电压只需0.9 V(+/-2%)，输出电流却可高达数十安培 。这一点正是电力系统工程师面临的诸多挑战之一 。
从功率的角度来讲，无论是毫瓦级可穿戴设备，还是能量收集方案，亦或是千瓦级电源，它们追求的一个共同目标都是提高能效 。多年来，消费电子产品的电源设计人员一直致力于研发在额定功率输出及待机状态下均能限度地减少功耗的电源方案 。业界相关管理规定，包括欧盟外接电源能效标准(CoC)第五版及美国能源部制定的第六级能效要求，均针对数百万种非频繁插拔的插拔式电源设定了‘待机功耗’标准 。为助力设计人员简化设计流程，本文特此精选了一组全新电源管理芯片并分享一些重要设计准则，让设计人员只需辅助使用一些在线设计工具即可完成他们的处女作 。
电源管理是物联网设备设计面临的一个主要问题 。当前，尽管越来越多应用能够通过能量收集技术实现超低功耗设计，但这种方法并不适于其他更多应用设计 。在这种情况下，需要电池为系统供电 。二者的区别在于，使用能量收集技术的产品只需采集到环境中容易获得的少量能量便可运行，而电池供电设备在某一时间则需要更换电池 。物联网设备的电池寿命可通过一个简单的计算予以确定：即电池容量除以平均放电率 。因此，尽量减少设备的能耗或增加电池容量都可延长电池的使用寿命并降低产品的总拥有成本 。
通常情况下，电池是物联网传感器系统中的组件，这导致工程师的选择往往非常有限 。然而，工程师可以借助各种处理器、通信技术和软件算法进行系统设计，以提供所需电池寿命 。考虑到电池更换成本颇高，一个优良的系统设计通常需要确保原装电池能够支撑物联网传感器在整个生命周期内的顺畅运行 。
开发电池供电的物联网设备必须实施精细的工程设计 。尽管组件的选择很重要，但设计不当却也能让低功耗处理器的优势荡然无存 。为此，处理器的设计需尽量实现低功耗待机模式运行，并限度地减少无线通信的使用，从而提供优良的电池性能 。
为满足这一设计需求，德州仪器推出了基于新型LLC架构的全新控制器芯片UCC256301 和UCC256303，可提供业界新低待机功耗 。德州仪器LLC架构采用混合滞回控制策略 。为实现更高效能，业界不断探索并研发出了一系列创新架构和开关模式，德州仪器LLC架构便是业界持续努力的成果 。这类控制器不仅需具备低损耗的特性，且需具有快速瞬态响应能力的电源以满足负载从低功率快速切换到高功率状态时的突变需求;同时，其稳压器实际上是一个具有固定输出电平的宽带放大器，需始终保持稳定运行 。借助超快的瞬态响应和简单的补偿并结合强大的故障保护功能，例如规避零电流开关，确保可靠运行 。
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图一：采用德州仪器混合滞回控制的转换器实现瞬态响应：从空载切换至满载状态时，转换器将输出电压的偏差限制在1.25%，且输出电压在200μs内即可恢复到稳态 。
可穿戴设备是近期的一个“热门话题”，无论是用于医疗还是作为信息娱乐设备，它们的一个迫切需求都是实现低功耗水平运行，并尽量减少损耗，而电源管理元件能够满足这种独特需求 。Maxim Integrated的MAX20303就是一个例子 。它是一款高度集成的可编程器件，采用3.71mm x 4.21mm小巧封装设计，提供多种丰富功能 。它具有一组灵活的功率优化稳压器，包括多个降压、升压、升/降压和线性稳压器，可输出高达220 mA的电流 。每个稳压器的静态电流特别优化到1μA (典型值)，以延长‘不间断运行’应用中的电池寿命 。完整的电池管理解决方案包括充电器、电源通路、电量计及电池外壳 。
与可穿戴设备等产品密切相关的另一趋势则是消费者对便捷性无线操作的需求导致无线充电日渐普及 。自电源相关标准诞生以来，提升功率水平这项工作从未停止，即使新的标准规范才开始实施 。无线充电联盟(WPC)制定的QiExtended Power标准，将功率从5W提??高到15W 。为支持这一新标准的实施，意法半导体(ST Microelectronics)推出一款先进的无线充电发射芯片STWBC-EP，可以待机功耗提供必要的异物检测和安全功能 。它包含一个DC/DC升压转换器和一个控制器，以及Qi充电算法固件 。转换器和控制器协同产生输入功率和控制信号，传送到外部半桥功率级，用于驱动充电发射器天线 。意法半导体还推出了一款相关评估套件，内含一个15W Qi MP-A10参考设计、12V 2A AC/DC适配器、USB/UART转接口(用于连接PC机和USB数据线)，以及预装固件 。
此外，在消费及许多其他应用领域，USB-C的使用也持续变得更加普遍 。借助其高功率传输能力和单点连接特性，业界已推出多款电池充电器芯片 。其中就包括来自Intersil的ISL95338升降压稳压器，它采用Type-C双面可插连接器，适用于各种类型的移动设备，且可替换两个电压转换器并提供USB PD3.0双向电压调节 。
【如何简化电源管理方案设计】

ISL95338稳压器可接受广泛的DC电源输入，包括AC/DC电源适配器、USB PD3.0端口、旅行电源适配器、电源存储模组等，并可将电源转换成高达24V的稳定电压 。ISL95338能够将宽范围的DC电源在电源适配器输入端转换成20V稳定电压，且可在降压模式、升压模式、降压-升压模式下运行 。它还利用Intersil调制技术，融合了固定频率脉冲宽度调制(PWM)和滞环PWM的特性，从而实现高功效运行并提供超快瞬态响应 。其设计可完全兼容USB PD3.0标准，并支持可编程电源(PPS)快速充电，提供双向5V-20V降压、升压、降压-升压模式 。
当然，并非所有的电压调节都通过开关设计来实现 。在许多应用中，出于极低噪声要求，只需配置一个线性稳压器就可实现这一功能 。典型应用场景包括为精密模数转换器或低失真RF放大器供电，这些应用无法容忍任何电源噪声 。
德州仪器的TPS7A39恰可满足这种应用需求，并能为设计人员提供适用于各种应用的通用组件 。这款150mA稳压器的显着功能在于它可为接地数模转换器任一端，以及运算/仪表放大器上需要对称或非对称电压的元件和子系统提供正负电压输出 。TPS7A39的正负输出可独立调节，并可在启动期间以恒定比率相互跟踪 。对于单电源放大器，其负输出可调节至0V 。TPS7A39稳压器规定电源抑制比(PSRR)需超过50 dB(2 MHz)和69dB(120Hz)，从而为线性电路消除开关(和其他)噪声干扰 。
本文精选的电源内容仅初步介绍了“电源”这个广阔设计领域内的相关信息，其他诸如高压集成、碳化硅和氮化镓功率器件驱动技术、大量快速成型的规则等电源设计话题还有待进一步探讨 。设计人员可从e络盟获取以上制造商产品和其他热门电源应用器件以及相关支持服务，从而实现无障碍设计 。
伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中 。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点 。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法 。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用 。
基本要求
伺服进给系统的要求
1、调速范围宽
2、定位精度高
3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性
4、快速响应，无超调
为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差 。
5、低速大转矩，过载能力强
一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏 。
6、可靠性高
要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力 。
对电机的要求
1、从速到速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象 。
2、电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求 。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏 。
3、为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压 。
4、电机应能承受频繁启、制动和反转 。
伺服驱动器需要什么样的脉冲?
正反脉冲控制(CW+CCW);脉冲加方向控制(pulse+direction);AB相输入(相位差控制，常见于手轮控制)
伺服驱动器主程序主要用来完成系统的初始化、LO接口控制信号、DSP内各个控制模块寄存器的设置等 。
伺服驱动器所有的初始化工作完成后，主程序才进入等待状态，以及等待中断的发生，以便电流环与速度环的调节 。
中断服务程序主要包括四M定时中断程序光电编码器零脉冲捕获中断程序、功率驱动保护中断程序、通信中断程序 。
伺服驱动器重要参数的设置方法和技巧
随着市场的发展和国内功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制原理等技术的进步，国内数控系统、交流伺服驱动器及伺服电动机这两年有了较大的
发展，在某些应用领域打破了国外的垄断局面 。笔者因多年从事数控技术工作，使用了多套日本安川、松下、三洋等数字伺服，但近因国产伺服性价比好，使
用了一些数控技术公司生产的交流伺服驱动及电动机，对使用中某些方面总结了一些简单实用的技巧 。
1　KNDSD100基本性能
1.1　基本功能
SD100采用国际上先进的数字信号处理器(DSP)TM320(S240)、大规模可编程门阵列(FPGA)、日本三菱的新一代智能化功率模块(1PM)，集成度高，体积小，具有超速、过流、过载、主电源过压欠压、编码器异常和位置超差等保护功能 。
与步进电动机相比，交流伺服电动机无失步现象 。伺服电动机自带编码器，位置信号反馈至伺服驱动器，与开环位置控制器一起构成半闭环控制系统 。调速比宽 1：5000，转矩恒定，1 r和2000r的扭矩基本一样，从低速到高速都具有稳定的转矩特性和很快的响应特性 。采用全数字控制，控制简单灵活 。用户通过参数修改可以对伺服的工作方式、运行特性作出适当的设置 。目前价格仅比步进电动机高2000～3000元 。
1.2 参数调整
SD100为用户提供了丰富的用户参数0～59个，报警参数1～32个，监视方式(电动机转速，位置偏差等)22个 。用户可以根据不同的现场情况调整参数，以达到控制效果 。几种常用的参数的含义是：
(1)“0”号为密码参数，出厂值315，用户改变型号必须将此密码改为385 。
(2)“1”号为型号代码，对应同系列不同功率级别的驱动器和电动机 。
(3)“4”号为控制方式选择，改变此参数可设置驱动器的控制方式 。其中，“0”为位置控制方式;“1”为速度控制方式;“2”为试运行控制方式;“3”为JOG控制方式;“4”为编码器调零方式;“5”为开环控制方式(用户测试电压及编码器);“6”为转矩控制方式 。
(4)“5”号为速度比例增益，出厂值为150 。此设置值越大，增益越高，刚度越高 。参数设置根据具体的伺服驱动型号和负载情况设定 。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大 。在系统不产生振荡情况下，应尽量设定较大些 。
(5)“6”号为速度积分时间常数，出厂值为20 。此设定值越小，积分速度越快，太小容易产生超调，太大使响应变慢 。参数设置根据具体的伺服驱动型号和负载确定 。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大 。
(6)“40”、“4l”号为加减速时间常数，出厂设定为0 。此设定值表示电动机以0～100r/min转速所需的加速时间或减速时间 。加减速特性呈线性 。
(7)“9”号为位置比例增益，出厂没定为40 。此设置值越大，增益越高，刚度越高，相同频率指令脉冲条件下，位置滞后量越小 。但数值太大可能会引起振荡或超调 。参数数值根据具体的伺服驱动型号和负载情况而定 。
2 KNDSD100的参数设置技巧
SD100伺服驱动器和凯恩帝数控系统相配时，只需设定表1中的参数，其余参数，一般情况下，不用修改 。
电子齿轮比的设置如下：配KND-SD100伺服驱动器，应将KND系统的电子齿轮比设置为CMR/CMD=1：1，。KND-SD100伺服驱动器电子齿轮比设置为
位置指令脉冲分频分子(PA12)/位置指令脉冲分频分母(PA13)=4×2500(编码器条纹数)/带轮比×丝杠螺距×1000
分子分母可约成整数 。
对于车床，如果X轴以直径编程，以上公式分母应乘以2，即：
位置指令脉冲分频分子(PA12)/位置指令脉冲分频分母(PA13)=4×2500(编码器条纹数)/带轮比×丝杠螺距×1000×2
例：X轴丝杠螺距为4mm，1：1传动;Z轴丝杠螺距为6mm，1：2减速传动，则X轴驱动器的电子齿轮比为
PA12/PA13=4×2500/(1×4×1000×2)=5/4 。
Z轴驱动器的电子齿轮比为
PA12/PA13=4×2500/(6×1000×1/2)(减速传动比)=10/3
所以，对于X轴驱动器，PA/2/PA/3应设定为5/4，对于Z轴驱动器，PA12/PA13应设定为10/3 。
3　KNDSD100的参数优化技巧
(1) 根据上述设置好SD100伺服驱动器参数后，开始优化调整伺服性能，即驱动增益参数的调整 。一般SD100驱动器保持缺省的增益参数，基本可以满足用户的加工要求 。在缺省增益运行电动机时，如果电动机发出异常声音，则要首先考虑电动机轴的安装是否存在问题 。经检查问题后可考虑采用共振抑制的办法，修改7号参数(转矩滤波器)和8号参数(速度检测低通滤波器)来抑制电动机产生的振动 。7、8号参数缺省参数为100，可试着每次将7、8号参数分别减少10，按确认键 。运行电动机，如还不正常，再减少10，直到电动机无异常声音 。一般7，8号参数的调整范围为20～80之间，这样基本能达到共振抑制的效果 。
(2) 保持出厂参数时达不到加工效果，比如车床车出的斜面粗糙度值大，可试着再调整如下参数：①速度比例增益PA5的调整：确认驱动器正常启动，用数控系统手动控制电动机转动(机床移动) 。确认如果电动机不振动，加大调整此参数 。设定值越大，刚性越大，机床的定位精度越高，每次加大数值5，直到产生振动，将此值减小到稳定后，再将此值减10;②位置比例增益PA9：在稳定范围内，尽量设置得较大，这样机床跟踪特性好，滞后误差小 。同速度比例增益的调整相似，在不产生振动的情况下应尽可能调大此值;③如以上两参数提高后还达不到加工效果，可采用调整7、8号参数的方法进行振动的抑制参数调整 。调整后，驱动器5、9 号参数可以再向上调一些，这样应该可以满足用户的加工要求 。
4　KNDSD100的故障处理技巧
一旦出现报警信号，伺服单元将禁止电动机运行，以及对用户参数的调整，直至断电后重新上电 。用户可以根据显示的报警信息来判断故障的类型以及引起故障的原因 。具体故障处理办法可以参考SD100用户手册 。如果连报警都没有，那自然就是驱动器故障 。当然，还有可能是伺服根本没有故障，而是控制信号或上位机有问题导致伺服没有动作 。
除了看驱动器上的错误、报警号，查手册外，有时直接的判断就是互换，如数控车床的X轴和Z轴互换(型号相同才可以) 。或在伺服电动机功率差距不大的情况下，修改伺服驱动器某些特征参数(如KNDSD100的“1”号型号代码参数)，短时间内互换，确定故障后再换回来是可以的 。
还可以通过修改数控系统参数，将某轴如X轴锁住，不让系统检测X轴，达到判断目的 。但应注意：X轴与Z轴互换，即使型号相同，机床可能因为负载不同、参数不同而产生问题 。在确认检查方案动手前，一定要考虑全面，以免造成不必要的损失 。
再有，因为交流伺服单元通常使用数控系统统一供电系统，三相交流220 V的电压来自伺服变压器 。所以在操作过程中必须符合操作规范 。例如：U、V、W三相输出必须按照正确的顺序连接，否则电动机将不能正常运转，将给出报警信号，并禁止电动机运行 。
5　伺服电动机的其他问题处理技巧
(1)电动机窜动：在进给时出现窜动现象，测速信号不稳定，如编码器有裂纹;接线端子接触不良，如螺钉松动等;当窜动发生在由正方向运动与反方向运动的换向瞬间时，一般是由于进给传动链的反向问隙或伺服驱动增益过大所致;
(2) 电动机爬行：大多发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良，伺服系统增益低及外加负载过大等因素所致 。尤其要注意的是，伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠与伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢;
(3)电动机振动：机床高速运行时，可能产生振动，这时就会产生过流报警 。机床振动问题一般属于速度问题，所以应寻找速度环问题;
(4)电动机转矩降低：伺服电动机从额定堵转转矩到高速运转时，发现转矩会突然降低，这时因为电动机绕组的散热损坏和机械部分发热引起的 。高速时，电动机温升变大，因此，正确使用伺服电动机前一定要对电动机的负载进行验算;
(5) 电动机位置误差：当伺服轴运动超过位置允差范围时(KNDSD100出厂标准设置PA17：400，位置超差检测范围)，伺服驱动器就会出现“4”号位置超差报警 。主要原因有：系统设定的允差范围小;伺服系统增益设置不当;位置检测装置有污染;进给传动链累计误差过大等;
(6)电动机不转：数控系统到伺服驱动器除了联结脉冲+方向信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24 V继电器线圈电压 。伺服电动机不转，常用诊断方法有：检查数控系统是否有脉冲信号输出;检查使能信号是否接通;通过液晶屏观测系统输入/出状态是否满足进给轴的起动条件;对带电磁制动器的伺服电动机确认制动已经打开;驱动器有故障;伺服电动机有故障;伺服电动机和滚珠丝杠联结联轴节失效或键脱开等 。

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