關(guān)于立锜電機控制技術(shù)的介紹

日本一家著名企業(yè)在設計 40W 空氣凈化器時遇到了難題，它運行時發(fā)出的噪聲的聲壓級達到了 35dBA。

35dBA 的聲壓級不算是很高，在一間非常安靜的屋子里就能測量到這樣的噪聲水平，我們說悄悄話時也能達到這樣的響度。一般人可能不會在意這樣的聲音，但比較敏感的人就很難容忍了，尤其是在他們需要睡眠的時候，這可能讓他們很煩躁。

在淘寶上能搜索到很多聲壓計量產(chǎn)品，即使這些產(chǎn)品做得非常專業(yè)，它們能夠測量的聲壓下限也是 30dB，大概是因為能夠引起大多數(shù)人注意的聲壓范圍下限就在這兒了，測量再低的數(shù)據(jù)對很多人來說已經(jīng)沒有什么必要。

我們都知道日本人對產(chǎn)品缺陷是很挑剔的，為了讓產(chǎn)品更安靜，他們找到了立锜，立锜提供了一套全新的直流無刷電機驅(qū)動解決方案（核心型號為 RT7075），直接替換原有方案以后，空氣凈化器的噪音水平便降到了最高 25dBA 以下，下圖就是前后測試數(shù)據(jù)的對比圖：

數(shù)據(jù)中的橙色部分是采用最初的電機驅(qū)動方案時測得的，該方案由一家日本 IC 廠商提供；藍色部分是采用立锜方案以后測得的，它幾乎在所有轉(zhuǎn)速情況下都比原有方案表現(xiàn)得更好。實際的測試是在聲學實驗室里進行的，下圖是測試時獲得的現(xiàn)場照片，不是很清晰，但也能看得很明白，所有的外來干擾都被屏蔽掉了，這樣就保證了測試結(jié)果的客觀性，不會像我們說說悄悄話的聲音有多大一樣，是完全憑自己的主觀感覺來做判定的。

實際上關(guān)于悄悄話的音量等級還是有評估數(shù)據(jù)的，我在網(wǎng)上查到的數(shù)據(jù)范圍是 20-40dB，具體落在那里，這就看當事人的狀況了。由于兩個聲音的響度有 5dB 的差異時人耳就能感覺到明顯的不同，立锜方案使機器的最高噪聲一下子降低了 10dB 以上，這便是非常明顯的改善了，自然得到了客戶的認同和采用。

一臺空氣凈化器的噪聲源可能有好幾個，一為氣道，二為風機葉片，三為電機，在上述的替換中氣道、葉片都無變化，剩下的就只有電機了。

想要電機無聲運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時就不能有任何振動發(fā)生，這需要其定子和轉(zhuǎn)子之間的精密配合才能實現(xiàn)。

立锜科技直流無刷電機驅(qū)動方案是以 ARM Cortex-M0 32 位 MCU 為核心的，外圍集成了高精度的 ADC、DAC、電流檢測器、通訊接口、看門狗定時器和可控制生成正弦電流的 PWM 信號發(fā)生器等必要的外圍接口，控制系統(tǒng)運行的系統(tǒng)固件就存放在芯片中集成的存儲器里，它們是可以反復改寫的。如果從引腳配置來看，這種電機控制器（RT7100）與一片普通的 MCU 并無不同，如下圖所示：

只有把這個控制器和門極驅(qū)動器、功率元件及電機負載等連接起來的時候，我們才能比較清楚地看到它的應用目的：

下圖可以讓我們一覽它的內(nèi)部組件：

用戶在使用普通的 MCU 時需要自行設計軟件代碼，可編寫電機控制軟件對于大多數(shù)人來說并不容易，所以立锜銷售的電機控制器都是預先寫入可用程序了的。這種嵌入式的程序由于固化于芯片中，因而有一個特別的詞來對它進行表達，這便是“固件”，所對應的英文單詞是 firmware，與 software（軟件）、hardware（硬件）恰好形成對照，而這種解釋也是我自己推理得出的，不知道軟件行業(yè)是否也這樣進行解釋，因為在我從事軟件設計的時候還沒有固件這一說法，那時只會說“軟件”或是“程序”。

立锜電機控制軟件的核心是磁場矢量的控制算法，這在英文里有一個稱呼叫 Field Oriented Control，簡稱 FOC。名稱中的 Oriented 是很重要的，它說明要對磁場的方向進行定位，因為電機的轉(zhuǎn)子磁場是不變的，你要驅(qū)動它旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動它的磁場就必須是旋轉(zhuǎn)的，而且兩者必須同步，否則就會發(fā)生不必要的抖動，甚至可能出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。下面的動圖是我從網(wǎng)上淘來的，從中可以看出轉(zhuǎn)子磁場是如何旋轉(zhuǎn)的，該磁場和定子線圈之間的關(guān)系也可以看出來：

當三個定子線圈中分別通過不同的電流時，它們也分別生成了一個特定的磁場，而這些磁場合成起來的磁場就成了驅(qū)動轉(zhuǎn)子磁場運動的因素，它通過轉(zhuǎn)子磁場將作用力施加在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子也就在這樣的力的作用下有了特定的運動。將這些磁場分別用矢量來表達，就有了下面的動圖可以用來做參考，需要說明的是這個圖也是從網(wǎng)上淘來的，我得在這里對它們的制作者表達感謝。

只要最后合成的矢量總是以相同的速度在一個圓周上勻速運動，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動就是平穩(wěn)無抖動的，因而也不會有抖動噪聲出現(xiàn)，這時候流過各個線圈的電流的波形就是一個典型的正弦信號的樣子。從某種意義上可以這樣說，判斷一個電機驅(qū)動器性能如何的方法就是測量其電流波形，它越接近正弦，則它的性能越好，反之則很難這樣去想了。測量立锜直流無刷電機驅(qū)動器獲得的電流波形是這樣的：

由于獲得低頻正弦波相對較難，所以這個波形是在電機轉(zhuǎn)速為 150rpm 時進行的，這樣也能讓你知道在這件事情上立锜人做得確實不錯。而在相同條件下對其他品牌的電機驅(qū)動器進行測量，得到的波形就沒有這么美觀了，下面的兩幅圖形就是這樣得來的。

由于不穩(wěn)定的驅(qū)動帶來的振動會直接在電機軸上表現(xiàn)出來，所以觀察電機軸的振動信號也是有意義的。前述的日本廠商就進行了這樣的測量，測量所得的振動信號的頻譜圖如下：

這是使用立锜方案時的測量結(jié)果，振動幅度為 1470mm，而原有方案所導致的振動幅度則達到了 2060mm，相對來說其性能就要差一些，其頻譜分布如下圖所示：

立锜科技為市場提供的直流無刷電機驅(qū)動解決方案由電機控制器、門極驅(qū)動器、功率元件等產(chǎn)品以及由電機控制器和門極驅(qū)動器集成在一起的二合一產(chǎn)品和將電機控制器、門極驅(qū)動器及功率元件都集成在一起的三合一產(chǎn)品組合而成，組成完整的電機控制系統(tǒng)所需要的 PFC 控制器、電源轉(zhuǎn)換器等產(chǎn)品也都齊備，因而可以滿足客戶在應用上的所有需求，請有需要者和立锜聯(lián)絡，獲取相關(guān)的產(chǎn)品和業(yè)務信息，加速自己的產(chǎn)品開發(fā)進程。最重要的還是要讓產(chǎn)品的性能更好一點，這是我們大家都希望的，也希望立锜不會讓你失望。