電機(jī)控制算法及其工作原理

1.直流電機(jī)控制器基礎(chǔ)

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。

在從汽車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)向無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)變而發(fā)展。在本章中，我們將介紹各種類型的電機(jī)，并闡明新技術(shù)如何使直流電機(jī)在很多不同類型的產(chǎn)品中得到應(yīng)用。我們還將介紹直流無刷電機(jī)的工作原理。

電機(jī)類型簡(jiǎn)介 ?

如今主要有如下幾種類型的電機(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)類型的匯總。

密切相關(guān)的兩種無刷電機(jī)——無刷直流（BLDC）電機(jī)和永磁同步電機(jī)（PMSM）越來越廣泛地應(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。這是通過使用外部電路調(diào)節(jié)傳送到各相的電壓和電流來實(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。在無刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）中，通過電子控制器從外部控制流向固定定子線圈的電流。

這些無刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）比其他類型的電機(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、電動(dòng)工具和家用電器中。

與傳統(tǒng)的有刷電機(jī)相比，無刷直流（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?；魻?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器或旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，通過分析傳感器輸出端極性和變化率來測(cè)量速度。像圖 1-2 中所示的三相無刷直流（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控制各相的電壓來調(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，它們能夠通過監(jiān)測(cè)負(fù)載并調(diào)整扭矩使其匹配來提高效率。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。

2.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。

無刷電機(jī)有很多類型。使用最廣泛的是單相和三相無刷直流電機(jī)（BLDC）/ 永磁同步電機(jī)（PMSM）。無刷直流電機(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，因此比無刷直流電機(jī)梯形控制器更加昂貴。成本增加確實(shí)帶來了一些優(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)還是無傳感器電機(jī) ?

本節(jié)我們將仔細(xì)研究無刷直流電機(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)和無傳感器電機(jī)。

帶傳感器的無刷直流電機(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，利用越來越多的位置點(diǎn)來提供轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置的霍爾傳感器已上市。

無傳感器電機(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)用中越來越普遍使用無傳感器電機(jī)。

無傳感器電機(jī)要求算法將電機(jī)作為傳感器來運(yùn)行。它們依靠反電動(dòng)勢(shì)信息。在控制無刷直流電機(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（無傳感器算法）得出轉(zhuǎn)子位置。

無傳感器算法的一個(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。一般來說，根據(jù)性能、成本及其他因素來決定選擇無刷直流電機(jī)還是永磁同步電機(jī)。

無傳感器控制可降低成本，因?yàn)樗鼰o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)合通常可提供最高性能。但永磁同步電機(jī)的成本一般高于無刷直流電機(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）來采集相電壓。

現(xiàn)在，無需使用分立組件來實(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。

3.電機(jī)控制算法

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)榭刂破骺纱_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。

4.電機(jī)控制領(lǐng)域的十大重要事實(shí)和發(fā)展趨勢(shì)

01

由于技術(shù)進(jìn)步，集成正在占領(lǐng)電機(jī)控制市場(chǎng)。各種尺寸和功率密度的無刷直流電機(jī) (BLDC) 和永磁同步電機(jī) (PMSM) 正迅速取代有刷交流/直流和交流感應(yīng)等電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

02

無刷直流電機(jī)/永磁同步電機(jī)在機(jī)械上具有相同的結(jié)構(gòu)，但定子繞組除外。它們的定子繞組采用的是不同的幾何結(jié)構(gòu)。定子始終與電機(jī)磁體相對(duì)。這些電機(jī)低速時(shí)可提供高扭矩，因此非常適合伺服電機(jī)應(yīng)用。

03

無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)無需使用電刷和換向器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此比有刷電機(jī)更加高效可靠。

04

無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)利用軟件控制算法代替電刷和機(jī)械換向器來驅(qū)使電機(jī)運(yùn)行。

05

無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單。電機(jī)的非旋轉(zhuǎn)定子上有一個(gè)電磁繞組。轉(zhuǎn)子采用永磁體制成。定子可以在內(nèi)部或外部，并且總是處于磁體的對(duì)面。但定子始終是固定不動(dòng)的部分，而轉(zhuǎn)子始終是移動(dòng)(旋轉(zhuǎn))的部分。

06

無刷直流電機(jī)可以有 1、2、3、4 或 5 相。它們的名稱和驅(qū)動(dòng)算法可能不同，但本質(zhì)上都是無刷的。

07

有些無刷直流電機(jī)帶有傳感器，可幫助獲得轉(zhuǎn)子位置。軟件控制算法利用這些傳感器(霍爾傳感器或編碼器)來輔助電機(jī)換向或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)應(yīng)用需要在高負(fù)載下啟動(dòng)時(shí)，需要這些帶有傳感器的無刷直流電機(jī)。

08

如果無刷直流電機(jī)沒有用于獲取轉(zhuǎn)子位置的傳感器，則使用數(shù)學(xué)模型。這些數(shù)學(xué)模型代表無傳感器算法。在無傳感器算法中，電機(jī)就是傳感器。

09

與有刷電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)具有一些重要的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。它們能夠利用電子換向方案驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而可使能源效率提高 20% 到 30%。

10

如今很多產(chǎn)品需要可變化的電機(jī)速度。這些電機(jī)需要脈寬調(diào)制 (PWM) 來改變電機(jī)速度。脈寬調(diào)制提供對(duì)電機(jī)速度和扭矩的精確控制，可實(shí)現(xiàn)變速。

審核編輯：黃飛

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