了解電機(jī)控制器的工作原理

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(lèi)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(shū)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(shū)是針對(duì)技術(shù)和非技術(shù)類(lèi)讀者而編寫(xiě)的。如果您是行政人員、銷(xiāo)售員或設(shè)計(jì)工程師，本書(shū)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(shū)。在第一章里，我們將談一下直流電機(jī)控制器基礎(chǔ)。

在從汽車(chē)到冰箱和庭院工具等極其廣泛的產(chǎn)品中，電機(jī)發(fā)揮著非常重要的作用。根據(jù) IMS Research 的數(shù)據(jù)，每年市場(chǎng)上增加110 億臺(tái)電機(jī)，其消耗的電能占總耗電量的 45%。從傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)到無(wú)刷電機(jī)，這一市場(chǎng)正在發(fā)生深刻變革。原因有多個(gè)，其中包括眾多行業(yè)對(duì)提高能源效率的強(qiáng)烈需求。此外，便攜式工具等不插電應(yīng)用逐漸興起，它們需要體積更小、重量更輕、耗電量更少的電機(jī)，從而使電池能夠持續(xù)使用更長(zhǎng)時(shí)間。

無(wú)刷電機(jī)具有許多優(yōu)勢(shì)，例如效率更高、重量更輕、控制更精確。但是，與傳統(tǒng)的有刷電機(jī)不同，它們需要電子控制。因此，電機(jī)控制市場(chǎng)也隨著有刷電機(jī)向無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)變而發(fā)展。在本章中，我們將介紹各種類(lèi)型的電機(jī)，并闡明新技術(shù)如何使直流電機(jī)在很多不同類(lèi)型的產(chǎn)品中得到應(yīng)用。我們還將介紹直流無(wú)刷電機(jī)的工作原理。

電機(jī)類(lèi)型簡(jiǎn)介

如今主要有如下幾種類(lèi)型的電機(jī) ：有刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī) / 永磁同步電機(jī)（PMSM）。圖 1-1 是對(duì)電機(jī)類(lèi)型的匯總。

密切相關(guān)的兩種無(wú)刷電機(jī)——無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。這些電機(jī)不需要電刷和換向器，因此比有刷電機(jī)更高效，并可有效延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

在有刷電機(jī)中，轉(zhuǎn)向（在各相中切換電流，以便形成能夠產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的過(guò)程）由電刷 / 換向器接口產(chǎn)生。該接口會(huì)產(chǎn)生不利的摩擦和電弧。

無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）采用電子生成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因此不需要使用電刷和換向器。這是通過(guò)使用外部電路調(diào)節(jié)傳送到各相的電壓和電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

雖然這些電路稍微復(fù)雜一些，但與傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比，無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）具有一些重要的優(yōu)勢(shì)。它們的電子換向方案使能源效率比以相同速度運(yùn)行的有刷電機(jī)提高了 20% 到 30%，同時(shí)更加耐用、體積更小、重量更輕、噪音也更小。

BLDC 電機(jī) /PMSM 的興起

組位于定子（電機(jī)的靜止部分）。將繞組放在電機(jī)靜止不動(dòng)的部分，并將永磁體放在轉(zhuǎn)子上，這樣就不需要電刷了。在無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）中，通過(guò)電子控制器從外部控制流向固定定子線圈的電流。

這些無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）比其他類(lèi)型的電機(jī)具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此，在許多應(yīng)用中，它們正逐漸取代有刷直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。實(shí)際上，無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電動(dòng)工具和家用電器中。

與傳統(tǒng)的有刷電機(jī)相比，無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）具有諸多優(yōu)勢(shì)。它們節(jié)能，體積更小，重量更輕，噪音更小，也更可靠耐用。此外，它們還能精確地控制速度，更適合用于變速應(yīng)用。最后，它們還具有出色的速度扭矩特性。

無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）通常用于需要精確控制速度的地方。我們將在第二章詳細(xì)介紹其工作原理，但基本概念如圖 1-2所示。霍爾傳感器或旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，通過(guò)分析傳感器輸出端極性和變化率來(lái)測(cè)量速度。像圖 1-2 中所示的三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）需要三個(gè)霍爾傳感器。

電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）采用電子換向電路，因此，它們需要監(jiān)控電路來(lái)確保線圈激勵(lì)精確定時(shí)，從而準(zhǔn)確調(diào)節(jié)速度、恰當(dāng)控制扭矩以及提高效率。在許多需要可調(diào)速和準(zhǔn)確控制位置的新型電機(jī)應(yīng)用中，這種驅(qū)動(dòng)電路是必不可少的。

好消息是，所有必需的模擬功能都與功能強(qiáng)大的微控制器一起集成到單個(gè)電機(jī)控制單元中，從而驅(qū)動(dòng)外部（或某些情況下集成在單元內(nèi)部）功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。這種單獨(dú)控制單元可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程并降低組件成本。

了解電機(jī)控制器的工作原理

電機(jī)控制器可完成多項(xiàng)非常重要的工作。其最基本的功能是通過(guò)控制各相的電壓來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度和方向。但電機(jī)控制器還 ：

調(diào)節(jié)電機(jī)速度、扭矩或功率輸出

控制啟動(dòng)或軟啟動(dòng)

防止出現(xiàn)電路故障

使電機(jī)加速和減速更平穩(wěn)

防止過(guò)載

為實(shí)現(xiàn)所有這些功能，電機(jī)控制器必須比以往更加智能。例如，它們能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)負(fù)載并調(diào)整扭矩使其匹配來(lái)提高效率。提高效率的同時(shí)還減少電機(jī)的熱量、噪音和振動(dòng)。

具有常規(guī)三相逆變器的無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）傳統(tǒng)上需要多個(gè)集成芯片（IC）來(lái)提供各種電機(jī)控制器功能。這其中包括微控制器、用于驅(qū)動(dòng)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的預(yù)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)、用于放大檢測(cè)到的電機(jī)電流的差分放大器、提取反電動(dòng)勢(shì) (BEMF) 信息的比較器以及降低電壓的開(kāi)關(guān)式和線性穩(wěn)壓器。

由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，如今很多功能都被并入一個(gè)小型控制裝置中。

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