電機(jī)控制算法及其工作原理解析

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。在前兩章《電機(jī)科普系列丨直流電機(jī)控制器基礎(chǔ)》和《電機(jī)科普系列丨了解電機(jī)控制裝置》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)控制算法。

本章中，您將了解電機(jī)控制算法及其工作原理，還將了解各領(lǐng)域的一些實(shí)際范例。

算法是一組為執(zhí)行特定任務(wù)而設(shè)計(jì)的指令。計(jì)算機(jī)程序本質(zhì)上是多組算法。

在無刷直流 (BLDC) 電機(jī) / 永磁同步電機(jī) (PMSM) 中，軟件算法通過監(jiān)測(cè)和控制電機(jī)操作來提高效率并降低運(yùn)行成本。在帶傳感器的無刷直流電機(jī) /永磁同步電機(jī)中，主要算法的一些最重要的功能如下：

電機(jī)初始化

霍爾傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)

檢查開關(guān)信號(hào)是增加電流基準(zhǔn)還是減少電流基準(zhǔn)

檢查電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向

了解控制器如何處理傳感器信息

無刷直流電機(jī)定子有三個(gè)霍爾傳感器，各相彼此相隔 120 度（參見第 2 章）。當(dāng)它們的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)合并在一起時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)代表轉(zhuǎn)子位置的三位數(shù)字。

如圖 3-1 所示，可用三位代碼代表 1 到 6 之間的操作碼。三相無刷直流電機(jī)有六種狀態(tài)（從三相輸出得出的六種可能的電流狀態(tài)）。傳感器利用八個(gè)操作碼中的六個(gè)（1 到 6）生成三位數(shù)的數(shù)據(jù)輸出。該信息很有用，因?yàn)?a target="_blank">控制器可確定何時(shí)發(fā)出了非法操作碼（0 和 7），并根據(jù)合法操作碼（1 到 6）執(zhí)行動(dòng)作。

閱讀圖 3-1 中的查找表的方法如下：

當(dāng)霍爾傳感器W、V、U等于操作碼1-0-1、操作碼5時(shí)，扇區(qū)0激勵(lì)。

當(dāng)霍爾傳感器W、V、U等于操作碼1-0-0、操作碼4時(shí)，扇區(qū)1激勵(lì)。

依此類推，可獲得其他各種可能的狀態(tài)。

各個(gè)霍爾傳感器都位于轉(zhuǎn)子上，因此每個(gè)轉(zhuǎn)子扇區(qū)都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)變化狀態(tài)。如圖 3-1 所示，該算法會(huì)獲取霍爾傳感器操作碼并對(duì)其進(jìn)行解碼。一旦霍爾傳感器操作碼的值發(fā)生變化，控制器就必須更改激勵(lì)方案以實(shí)現(xiàn)換向。微控制器利用操作碼從查找表中提取激勵(lì)信息。三相逆變器通過新扇區(qū)命令激勵(lì)后，磁場(chǎng)移動(dòng)至新位置，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，此過程不斷重復(fù)。

了解脈沖寬度調(diào)制

有些電機(jī)僅需要一個(gè)速度，因此它們只需要恒定直流電壓進(jìn)入逆變器，如圖3-1 所示。但是，如今許多產(chǎn)品，其中包括很多電動(dòng)工具和園藝工具，都需要變速電機(jī)。這種電機(jī)利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來改變電機(jī)速度。脈寬調(diào)制可精準(zhǔn)控制電機(jī)速度和扭矩，從而實(shí)現(xiàn)變速。

寬調(diào)制（PWM）是具有恒定頻率的方波信號(hào)，如圖 3-2 所示。脈寬調(diào)制將逆變器直流電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制后的有效電壓。例如，利用占空比為 0% 到100% 的脈寬調(diào)制控制信號(hào)，可使用 12 伏電池向電機(jī)施加 0 伏到 12 伏的任何電壓。算法利用這種控制方法來有效限制啟動(dòng)電流以及調(diào)節(jié)電機(jī)速度和扭矩。

脈寬調(diào)制開關(guān)頻率是電源開發(fā)階段必須牢記的重要設(shè)計(jì)因素。提高開關(guān)頻率會(huì)增加開關(guān)損耗，但可改善低電感電機(jī)中的電流穩(wěn)定度。降低開關(guān)頻率會(huì)增加電流紋波，電流紋波將轉(zhuǎn)化為扭矩紋波（例如振動(dòng)）。應(yīng)用電壓和電機(jī)電感將引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員選擇正確的脈寬調(diào)制開關(guān)頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電壓或電流越高，所需要的開關(guān)頻率就越低。

持續(xù)改變脈寬調(diào)制信號(hào)會(huì)改變占空比，如圖 3-3 所示。它給出了一系列電壓值，而這反過來又會(huì)改變電機(jī)速度。您可利用這些脈寬調(diào)制占空比的變化來改變進(jìn)入電機(jī)繞組的電壓。

識(shí)別無刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)典型應(yīng)用

本節(jié)中，我們將探討無刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)在電動(dòng)工具、園藝工具、白色家電和車輛等關(guān)鍵產(chǎn)品類型中的某些常見用途。

電動(dòng)工具

電池（尤其是經(jīng)久耐用的高能量密度電池）供電的無繩電動(dòng)工具讓用戶能夠靈活自由地使用。這種便捷和自由促使該領(lǐng)域迅速轉(zhuǎn)向無刷直流電機(jī) /永磁同步電機(jī)。

傳統(tǒng)上，電動(dòng)工具由通用交流 / 直流有刷電機(jī)、開關(guān)或電位計(jì)以及將其與電源插座連接的電線構(gòu)成。在將近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，人們利用這種方法設(shè)計(jì)出了種類繁多的電動(dòng)工具。但是，在無繩電動(dòng)工具中，必須考慮操作時(shí)間，因?yàn)椴僮鲿r(shí)間受到電池性能的限制。鉆孔機(jī)、圓鋸及其他類似工具需要在負(fù)載下啟動(dòng)，因此它們使用傳感器和基于傳感器的算法，其中大多數(shù)使用無刷直流電機(jī)和六步梯形換向方案。

但是，其他很多電動(dòng)工具（如磨床和擺鋸）以及諸如吹葉機(jī)、割草機(jī)和綠籬機(jī)等絕大多數(shù)園藝工具也采用無傳感器算法。設(shè)計(jì)師一直在尋求提高電動(dòng)工具性能的方法，因此，永磁同步電機(jī)和磁場(chǎng)定向控制（FOC）開始出現(xiàn)在成本更高、性能更高的電動(dòng)工具中。

園藝工具

園藝工具包括割草機(jī)、打邊機(jī)、鏈鋸、吹葉機(jī)以及切邊機(jī)。它們可能看起來屬于電動(dòng)工具，但傳統(tǒng)的電動(dòng)工具（如鉆孔機(jī)和鋸）是電力驅(qū)動(dòng)，而園藝工具大多由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，我們的工具房里偶爾也有帶電線的園藝工具。

可靠的電池供電的園藝工具普及較慢。它們大約在二三十年前就已出現(xiàn)，但因功能薄弱而并不引人注意。但是，隨著無刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)和高壓電池領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，它們的命運(yùn)已發(fā)生逆轉(zhuǎn)！如今的園藝工具采用 40 伏到 80 伏電池技術(shù)，其性能與燃?xì)鈩?dòng)力同類產(chǎn)品的性能一樣出色。這么高的電壓甚至足以使無刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)為拖拉機(jī)式割草機(jī)提供動(dòng)力！

白色家電

白色家電行業(yè)為我們提供了很多家用電器，如冰箱、洗衣機(jī)和烘干機(jī)、真空吸塵器以及吊扇。傳統(tǒng)上，所有這些電器都使用不需要專用驅(qū)動(dòng)器 / 控制器的交流感應(yīng)電機(jī)。但是，隨著節(jié)電措施的出現(xiàn)以及用戶對(duì)某些家電變速的需求，交流感應(yīng)電機(jī)已逐步被無刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)取代。

在冰箱中，壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵均已改用無刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)。這些電器已納入綠色能源計(jì)劃中，所以節(jié)能至關(guān)重要。與此同時(shí)，在家庭環(huán)境中盡可能地減少振動(dòng)和噪音，也是大家非常期待的。憑借采用磁場(chǎng)定向控制（FOC）換向的低紋波永磁同步電機(jī)，現(xiàn)在的冰箱不僅更節(jié)能、更可靠，而且還更加安靜，在室內(nèi)使用也不再令人厭煩。吊扇、抽油煙機(jī)和真空吸塵器也利用了這些先進(jìn)技術(shù)。

汽車行業(yè)

您所擁有的機(jī)器中，電機(jī)數(shù)量最多的一臺(tái)機(jī)器最可能是您的運(yùn)輸機(jī)器——汽車！電動(dòng)座椅、電動(dòng)窗、電動(dòng)后視鏡、門鎖、雨刮、水泵、油泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等等。您的汽車的各個(gè)位置可能裝配有二十幾個(gè)到多達(dá) 50 個(gè)電機(jī)，它們都需要被驅(qū)動(dòng)和控制。

傳統(tǒng)上，汽車中的所有電機(jī)都是簡(jiǎn)單的有刷直流電機(jī)。但是，人們對(duì)能源使用和氣候變化的擔(dān)憂預(yù)示著一個(gè)注重節(jié)能的新時(shí)代的到來。以熱量形式耗散的能源必須通過燃燒更多的化石燃料產(chǎn)生，因此使用更高效的電機(jī)可減少碳足跡。即使每個(gè)電機(jī)僅能節(jié)省相對(duì)較少的能源，但如果將其乘以每輛汽車中電機(jī)的數(shù)量以及全球大約有 14 億輛汽車這一實(shí)際數(shù)字，便可明顯看出，把有刷直流電機(jī)換成無刷直流電機(jī) / 永磁同步電機(jī)意義重大。

原文標(biāo)題：電機(jī)科普系列丨了解電機(jī)控制算法

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