电机科普系列丨了解电机控制装置

简介：消费者要求其家用电器、园艺工具和电机驱动产品动力更强、外形更小、效率更高。像很多消费类电子产品一样，消费者也期望这些产品成本更低、更可靠且易于使用。无刷直流（BLDC）电机有助于满足这些需求。为满足这一需求，需要完全优化、高度集成的片上系统（SOC）设备。当今的 SOC 设备是完全可编程的电机控制器，可提供高效、结构紧凑的解决方案，有助于满足 21 世纪制造商对绿色能源效率的严格要求。本书详细介绍了关于这些 SOC 如何提高效率以及在何处使用的宝贵信息。

本书是针对技术和非技术类读者而编写的。如果您是行政人员、销售员或设计工程师，本书均适合您。只要您对直流电机控制器电源管理怀有好奇心，即可阅读本书。在第一章《电机科普系列丨直流电机控制器基础》里，我们对其进行了基本的科普，今天的报道我们将深入探讨一下电机控制装置。

无刷电机有很多类型。使用最广泛的是单相和三相无刷直流电机（BLDC）/ 永磁同步电机（PMSM）。无刷直流电机和永磁同步电机均以同步电机的工作原理为基础。由于定子相序切换产生旋转磁场，转子磁极会试图与其保持同步，从而使电机开始运转。每次换向时，转子都会继续追随定子，因此电机会持续运转。

但是，这两种直流电机定子绕组的几何形状不同，因此它们会产生不同的反电动势 (BEMF) 反应。

无刷直流电机（BLDC）反电动势反应是梯形的。这意味着控制这其中每一种电机所需要的控制波形都有所不同，因为应根据电机类型进行控制。图2-1将两种类型电机的波形进行了对比。相比之下，在永磁同步电机中，线圈以正弦方式缠绕，从而产生正弦反电动势信号（类似于间隔 120 度的三个正弦波）。为最大限度地提高性能，这些电机通常使用正弦波换向。

反电动势

无刷直流电机 / 永磁同步电机运行时通过其绕组产生反电动势。如果将载流导体放入磁场中或者该导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会感应或产生电动势。如果提供了闭合路径，电流就会从中流过。在任何电机中，因为电机运动而产生的电动势被称为反电动势，因为电机中产生的电动势与发电机中产生的电动势相反。

磁场定向控制

若要实现正弦波形以便控制永磁同步电机，需要使用磁场定向控制（FOC）算法。磁场定向控制或矢量控制是一种利用两个正交分量对三相电机中的定子进行变频控制的技术。一个正交分量定义定子产生的磁通量，而另一个则对应于电机速度定义的扭矩，由转子位置决定。

磁场定向控制算法通常用于最大限度地提高以正弦模式运行的三相永磁同步电机的效率。在正弦换向中，三根电线均永久性地由正弦电流供电，正弦电流各相相隔 120 度。这将在电机笼内产生一个旋转的南北磁场。磁场定向控制算法需要电机位置和速度来进行计算。

用于永磁同步电机的正弦控制器更加复杂，因此比无刷直流电机梯形控制器更加昂贵。成本增加确实带来了一些优势，例如噪音更低、电流波形中的谐波更少。但是，无刷直流电机的主要优势是更易于控制。选择哪种电机最合适取决于具体用途。

任一类型的换向方案均可与任一类型的电机配合使用。但是，使用六步梯形算法，无刷直流电机的性能可能更好，而永磁同步电机使用正弦波换向算法时性能更高。

选择带传感器的电机还是无传感器电机

本节我们将仔细研究无刷直流电机和永磁同步电机中两种非常重要的类型 ：带传感器的电机和无传感器电机。

带传感器的无刷直流电机

带传感器的电机/ 永磁同步电机用于需要电机在负载下启动的应用中。它们使用嵌入电机定子的霍尔传感器。该传感器本质上是一个开关，其数字输出等同于感测到的磁场极性（即 HI 代表北，LO 代表南）。电机各相都需要一个单独的霍尔传感器。单相无刷直流电机 / 永磁同步电机只需要一个霍尔传感器 ；三相无刷直流电机 / 永磁同步电机需要三个霍尔传感器。利用这些传感器，控制器可获得转子位置，确定哪个扇区（例如磁场极性）需要激励，并确定何时应用激励方案。

最近，利用越来越多的位置点来提供转子绝对位置的霍尔传感器已上市。

无传感器电机

基于硬件的感测会增加传感器、布线以及制造的成本，还会降低电机制造良率。由于这些原因，很多应用中越来越普遍使用无传感器电机。

无传感器电机要求算法将电机作为传感器来运行。它们依靠反电动势信息。在控制无刷直流电机的传统六步梯形换向算法中，任何指定时间只有两相通电，如图 2-2 所示。另一相处于浮动状态，为电机的反电动势提供了一个窗口。通过对对此反电动势采样，可推断出转子位置，从而无需使用基于硬件的传感器。

不管电机的拓扑结构如何，控制这些机器均需要了解转子的位置，这样才能使电机进行有效换向。如果转子的旋转磁场是通过与定子的永磁体的相互作用产生的，系统的运动和效率都会受到影响。有些电机使用传感器和带传感器的算法来获得转子位置，而其他一些电机不带传感器，从数学模型（无传感器算法）得出转子位置。

无传感器算法的一个缺点在启动时出现，此时电机速度为 0。因为反电动势与电机速度成正比，当电机速度为零时，反电动势也为零。没有反电动势值，就无法推断转子位置。此问题可通过新型算法解决 ：将高频信号注入三相来推断转子位置。

选择带传感器还是不带传感器通常取决于成本。一般来说，根据性能、成本及其他因素来决定选择无刷直流电机还是永磁同步电机。

无传感器控制可降低成本，因为它无需额外的硬件，并使电机制造良率接近 100%。因此，在风扇、冰箱压缩机、空调以及许多园艺工具等低成本、变速电机应用中，无传感器电机控制很常见。但是，启动时需要高扭矩的应用（如电动自行车和很多电动工具）需要有传感器的电机。

永磁同步电机与磁场定向控制算法相结合通常可提供最高性能。但永磁同步电机的成本一般高于无刷直流电机（虽然差距正在缩小），控制也更为复杂。机器人技术和伺服应用可能会因永磁同步电机而受益。

探讨小型化电机控制器

当今许多集成电机控制和驱动设备都非常复杂。它们需要模拟电路，如从相电流中抽样的差分放大器，还需要将这些值转移到数字域的模数转换器（ADC）。除了这两个模块，它们还需要比较器来进行电流采样，保护系统免受过电流的影响。它们利用可编程数模转换器 (DAC) 作为基准，并采用其他模拟模块（如单端放大器）来采集相电压。

现在，无需使用分立组件来实现所有这些功能，而是可以将这些模块集成到单个设备中。这样做可确保为所有应用提供紧凑的解决方案。产品工程师不必再将许多独立的组件拼凑在一起，相反 , 他们可以使用具有灵活的软件可配置性的即插即用片上系统 (SOC)。

如图 2-3 所示，微处理器内核具有模拟前端、电源驱动、电源管理、脉宽调制 (PWM) 发生器以及序列驱动数据采集功能。电源管理器还处理一些系统功能，其中包括内部基准生成、定时器、休眠模式管理以及电源和温度监控。

来源： Qorvo半导体