深入探討一下電機(jī)控制裝置

簡(jiǎn)介：消費(fèi)者要求其家用電器、園藝工具和電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品動(dòng)力更強(qiáng)、外形更小、效率更高。像很多消費(fèi)類電子產(chǎn)品一樣，消費(fèi)者也期望這些產(chǎn)品成本更低、更可靠且易于使用。無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)有助于滿足這些需求。為滿足這一需求，需要完全優(yōu)化、高度集成的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)備。當(dāng)今的 SOC 設(shè)備是完全可編程的電機(jī)控制器，可提供高效、結(jié)構(gòu)緊湊的解決方案，有助于滿足 21 世紀(jì)制造商對(duì)綠色能源效率的嚴(yán)格要求。本書詳細(xì)介紹了關(guān)于這些 SOC 如何提高效率以及在何處使用的寶貴信息。

本書是針對(duì)技術(shù)和非技術(shù)類讀者而編寫的。如果您是行政人員、銷售員或設(shè)計(jì)工程師，本書均適合您。只要您對(duì)直流電機(jī)控制器電源管理懷有好奇心，即可閱讀本書。在第一章《電機(jī)科普系列丨直流電機(jī)控制器基礎(chǔ)》里，我們對(duì)其進(jìn)行了基本的科普，今天的報(bào)道我們將深入探討一下電機(jī)控制裝置。

無(wú)刷電機(jī)有很多類型。使用最廣泛的是單相和三相無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）/ 永磁同步電機(jī)（PMSM）。無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)均以同步電機(jī)的工作原理為基礎(chǔ)。由于定子相序切換產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁極會(huì)試圖與其保持同步，從而使電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。每次換向時(shí)，轉(zhuǎn)子都會(huì)繼續(xù)追隨定子，因此電機(jī)會(huì)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

但是，這兩種直流電機(jī)定子繞組的幾何形狀不同，因此它們會(huì)產(chǎn)生不同的反電動(dòng)勢(shì) (BEMF) 反應(yīng)。

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）反電動(dòng)勢(shì)反應(yīng)是梯形的。這意味著控制這其中每一種電機(jī)所需要的控制波形都有所不同，因?yàn)閼?yīng)根據(jù)電機(jī)類型進(jìn)行控制。圖2-1將兩種類型電機(jī)的波形進(jìn)行了對(duì)比。相比之下，在永磁同步電機(jī)中，線圈以正弦方式纏繞，從而產(chǎn)生正弦反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)（類似于間隔 120 度的三個(gè)正弦波）。為最大限度地提高性能，這些電機(jī)通常使用正弦波換向。

反電動(dòng)勢(shì)

無(wú)刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過其繞組產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。如果將載流導(dǎo)體放入磁場(chǎng)中或者該導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)感應(yīng)或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。如果提供了閉合路徑，電流就會(huì)從中流過。在任何電機(jī)中，因?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被稱為反電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)殡姍C(jī)中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)相反。

磁場(chǎng)定向控制

若要實(shí)現(xiàn)正弦波形以便控制永磁同步電機(jī)，需要使用磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法。磁場(chǎng)定向控制或矢量控制是一種利用兩個(gè)正交分量對(duì)三相電機(jī)中的定子進(jìn)行變頻控制的技術(shù)。一個(gè)正交分量定義定子產(chǎn)生的磁通量，而另一個(gè)則對(duì)應(yīng)于電機(jī)速度定義的扭矩，由轉(zhuǎn)子位置決定。

磁場(chǎng)定向控制算法通常用于最大限度地提高以正弦模式運(yùn)行的三相永磁同步電機(jī)的效率。在正弦換向中，三根電線均永久性地由正弦電流供電，正弦電流各相相隔 120 度。這將在電機(jī)籠內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的南北磁場(chǎng)。磁場(chǎng)定向控制算法需要電機(jī)位置和速度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

用于永磁同步電機(jī)的正弦控制器更加復(fù)雜，因此比無(wú)刷直流電機(jī)梯形控制器更加昂貴。成本增加確實(shí)帶來(lái)了一些優(yōu)勢(shì)，例如噪音更低、電流波形中的諧波更少。但是，無(wú)刷直流電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)是更易于控制。選擇哪種電機(jī)最合適取決于具體用途。

任一類型的換向方案均可與任一類型的電機(jī)配合使用。但是，使用六步梯形算法，無(wú)刷直流電機(jī)的性能可能更好，而永磁同步電機(jī)使用正弦波換向算法時(shí)性能更高。

選擇帶傳感器的電機(jī)還是無(wú)傳感器電機(jī)

本節(jié)我們將仔細(xì)研究無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)中兩種非常重要的類型 ：帶傳感器的電機(jī)和無(wú)傳感器電機(jī)。

帶傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)

帶傳感器的電機(jī)/ 永磁同步電機(jī)用于需要電機(jī)在負(fù)載下啟動(dòng)的應(yīng)用中。它們使用嵌入電機(jī)定子的霍爾傳感器。該傳感器本質(zhì)上是一個(gè)開關(guān)，其數(shù)字輸出等同于感測(cè)到的磁場(chǎng)極性（即 HI 代表北，LO 代表南）。電機(jī)各相都需要一個(gè)單獨(dú)的霍爾傳感器。單相無(wú)刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)只需要一個(gè)霍爾傳感器 ；三相無(wú)刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)需要三個(gè)霍爾傳感器。利用這些傳感器，控制器可獲得轉(zhuǎn)子位置，確定哪個(gè)扇區(qū)（例如磁場(chǎng)極性）需要激勵(lì)，并確定何時(shí)應(yīng)用激勵(lì)方案。

最近，利用越來(lái)越多的位置點(diǎn)來(lái)提供轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置的霍爾傳感器已上市。

無(wú)傳感器電機(jī)

基于硬件的感測(cè)會(huì)增加傳感器、布線以及制造的成本，還會(huì)降低電機(jī)制造良率。由于這些原因，很多應(yīng)用中越來(lái)越普遍使用無(wú)傳感器電機(jī)。

無(wú)傳感器電機(jī)要求算法將電機(jī)作為傳感器來(lái)運(yùn)行。它們依靠反電動(dòng)勢(shì)信息。在控制無(wú)刷直流電機(jī)的傳統(tǒng)六步梯形換向算法中，任何指定時(shí)間只有兩相通電，如圖 2-2 所示。另一相處于浮動(dòng)狀態(tài)，為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)提供了一個(gè)窗口。通過對(duì)對(duì)此反電動(dòng)勢(shì)采樣，可推斷出轉(zhuǎn)子位置，從而無(wú)需使用基于硬件的傳感器。

不管電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，控制這些機(jī)器均需要了解轉(zhuǎn)子的位置，這樣才能使電機(jī)進(jìn)行有效換向。如果轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是通過與定子的永磁體的相互作用產(chǎn)生的，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和效率都會(huì)受到影響。有些電機(jī)使用傳感器和帶傳感器的算法來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置，而其他一些電機(jī)不帶傳感器，從數(shù)學(xué)模型（無(wú)傳感器算法）得出轉(zhuǎn)子位置。

無(wú)傳感器算法的一個(gè)缺點(diǎn)在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)電機(jī)速度為 0。因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)與電機(jī)速度成正比，當(dāng)電機(jī)速度為零時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)也為零。沒有反電動(dòng)勢(shì)值，就無(wú)法推斷轉(zhuǎn)子位置。此問題可通過新型算法解決 ：將高頻信號(hào)注入三相來(lái)推斷轉(zhuǎn)子位置。

選擇帶傳感器還是不帶傳感器通常取決于成本。一般來(lái)說，根據(jù)性能、成本及其他因素來(lái)決定選擇無(wú)刷直流電機(jī)還是永磁同步電機(jī)。

無(wú)傳感器控制可降低成本，因?yàn)樗鼰o(wú)需額外的硬件，并使電機(jī)制造良率接近 100%。因此，在風(fēng)扇、冰箱壓縮機(jī)、空調(diào)以及許多園藝工具等低成本、變速電機(jī)應(yīng)用中，無(wú)傳感器電機(jī)控制很常見。但是，啟動(dòng)時(shí)需要高扭矩的應(yīng)用（如電動(dòng)自行車和很多電動(dòng)工具）需要有傳感器的電機(jī)。

永磁同步電機(jī)與磁場(chǎng)定向控制算法相結(jié)合通?？商峁┳罡咝阅堋５来磐诫姍C(jī)的成本一般高于無(wú)刷直流電機(jī)（雖然差距正在縮?。刂埔哺鼮閺?fù)雜。機(jī)器人技術(shù)和伺服應(yīng)用可能會(huì)因永磁同步電機(jī)而受益。

探討小型化電機(jī)控制器

當(dāng)今許多集成電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)設(shè)備都非常復(fù)雜。它們需要模擬電路，如從相電流中抽樣的差分放大器，還需要將這些值轉(zhuǎn)移到數(shù)字域的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。除了這兩個(gè)模塊，它們還需要比較器來(lái)進(jìn)行電流采樣，保護(hù)系統(tǒng)免受過電流的影響。它們利用可編程數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 作為基準(zhǔn)，并采用其他模擬模塊（如單端放大器）來(lái)采集相電壓。

現(xiàn)在，無(wú)需使用分立組件來(lái)實(shí)現(xiàn)所有這些功能，而是可以將這些模塊集成到單個(gè)設(shè)備中。這樣做可確保為所有應(yīng)用提供緊湊的解決方案。產(chǎn)品工程師不必再將許多獨(dú)立的組件拼湊在一起，相反 , 他們可以使用具有靈活的軟件可配置性的即插即用片上系統(tǒng) (SOC)。

如圖 2-3 所示，微處理器內(nèi)核具有模擬前端、電源驅(qū)動(dòng)、電源管理、脈寬調(diào)制 (PWM) 發(fā)生器以及序列驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能。電源管理器還處理一些系統(tǒng)功能，其中包括內(nèi)部基準(zhǔn)生成、定時(shí)器、休眠模式管理以及電源和溫度監(jiān)控。

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