解决方案 | 使用旋转变压器的电机控制设计

如今，在科技的浪潮下，机械设备的智能化发展已经成为一种必然趋势，这使得高能效的电机控制设计面临着严峻的挑战。与此同时，随着电子产品精细化发展趋势显著，能够在体积和成本双重受限的状况下，还能保持长期运行且安全可靠的电机控制设计更是难上加难。

为了缩短客户的研发时间，减轻客户的研发难度，瑞萨电子推出了使用旋转变压器的电机控制方案，该方案提供了具有旋转变压器位置控制功能的步进电机设计和可选的BLDC电机设计，集成了一个带内置旋转变压器的马达、MCU、旋转变压器、数字转换器、电机驱动器，以及用于电机和控制电路的电源IC，不仅具有极高的性能，而且高集成度和紧凑的设计，也可使其应用于体积受限的应用中。

系统框图

MCU选型

本方案采用了RX24T与RX651/RA6E1的双MCU控制。其中，RX24T系列属于32位微控制器，特别适于双逆变器控制。其内置浮点单元（FPU），能够轻松地对复杂的逆变器控制算法进行编程。这极大地缩短了软件开发和整体维护所需的时间。RX24T微控制器设计确保最高的抗扰度，能够为任何采用逆变器的设备提供高可靠性。而RX651则非常适用于需要增强安全性、连接功能和HMI功能的物联网设备。

步进电机

本方案采用了2个全桥FET驱动器HIP4082、1个低压差线性稳压器RAA214220以及1个旋转变压器数字转换器（RDC）IC RAA3064002/3的设计。HIP4082 H桥驱动器专门针对PWM电机控制和UPS应用。该器件的工作电压高达80V，非常适用于中等功率水平的应用，且器件内部不包含电荷泵，但具有上层驱动电路的非锁存电平移位转换控制。这样的功能和规格对于尺寸和成本有需求的应用非常友好。

RAA214220低压差线性稳压器具有2.5V–20V的宽输入电压范围以及出色的线路和负载调节能力。并在内部集成了多种故障保护功能，这些特性使其适用于电池供电和USB设备。RAA3064002/3 RDC IC的作用是将来自旋转变压器的角度模拟信号转换为数字信号，从而供MCU处理。

借助这些器件，步进电机解决方案实现了以下特点：

通过带有旋转变压器位置信息的伺服控制实现了无失步裕度，最大程度地提高电机扭矩，缩小电机尺寸，并通过减少齿轮（减速器）来降低BOM成本。

通过减小转矩纹波的伺服控制实现低噪音和低振动。通过减少阻尼器和缩小系统尺寸来降低BOM成本。

通过用最小所需电流控制扭矩来减少功率消耗。通过降低电机的热量产生来降低冷却系统成本。

得益于这些性能，本方案可用于办公自动化和工业应用的高性能电机驱动装置，例如可用于扫描仪、多功能打印机和自动存款机。

BLDC电机设计

方案采用了RAA227063智能栅极驱动器IC和RAA3064002/3旋转变压器数字转换器（RDC）IC。其中，RAA227063适用于三相无刷DC（BLDC）电机应用。它集成了三个半桥智能栅极驱动器，能够驱动多达三个N沟道MOSFET桥，支持4.5V至60V的桥电压。并具有可编程驱动强度控制。实现了可调和自适应死区时间，以确保鲁棒性和灵活性。

BLDC电机解决方案是一款可用于自动引导车AGV、小型车、服务机器人和机动自行车应用的高性能电机驱动装置，能够实现以下优势：

使用高精度位置信息和高分辨率旋转变压器，通过伺服控制来实现精细运动/停止控制。

通过提高位置分辨率和优化速度响应，来抑制旋转不均的情况并减少造成震动的波纹。甚至可以在高速的情况下抑制震动/振动，并快速移动到目标值。

该旋转变压器由铜板或钢板制成，无需精密零件，因此不易断裂，并且经久耐用。在任何环境下（如热、油、灰尘和强振动）都能保持传感器的功能和性能。

使用旋转变压器的电机控制设计将步进电机方案和BLDC电机方案结合在一起，为客户带来精确控制和高电机性能的同时，最大程度地减少了客户的研发时间。未来，瑞萨也会在此基础上继续研发新的产品，为电机发展贡献力量。