簡介：消費者要求其家用電器、園藝工具和電機驅動產品動力更強、外形更小、效率更高。像很多消費類電子產品一樣，消費者也期望這些產品成本更低、更可靠且易于使用。無刷直流（BLDC）電機有助于滿足這些需求。為滿足這一需求，需要完全優化、高度集成的片上系統（SOC）設備。當今的 SOC 設備是完全可編程的電機控制器，可提供高效、結構緊湊的解決方案，有助于滿足 21 世紀制造商對綠色能源效率的嚴格要求。本書詳細介紹了關于這些 SOC 如何提高效率以及在何處使用的寶貴信息。

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

無刷電機有很多類型。使用最廣泛的是單相和三相無刷直流電機（BLDC）/ 永磁同步電機（PMSM）。無刷直流電機和永磁同步電機均以同步電機的工作原理為基礎。由于定子相序切換產生旋轉磁場，轉子磁極會試圖與其保持同步，從而使電機開始運轉。每次換向時，轉子都會繼續追隨定子，因此電機會持續運轉。

但是，這兩種直流電機定子繞組的幾何形狀不同，因此它們會產生不同的反電動勢 (BEMF) 反應。

無刷直流電機（BLDC）反電動勢反應是梯形的。這意味著控制這其中每一種電機所需要的控制波形都有所不同，因為應根據電機類型進行控制。圖2-1將兩種類型電機的波形進行了對比。相比之下，在永磁同步電機中，線圈以正弦方式纏繞，從而產生正弦反電動勢信號（類似于間隔 120 度的三個正弦波）。為最大限度地提高性能，這些電機通常使用正弦波換向。

反電動勢

無刷直流電機 / 永磁同步電機運行時通過其繞組產生反電動勢。如果將載流導體放入磁場中或者該導體在磁場中做切割磁感線運動，導體中就會感應或產生電動勢。如果提供了閉合路徑，電流就會從中流過。在任何電機中，因為電機運動而產生的電動勢被稱為反電動勢，因為電機中產生的電動勢與發電機中產生的電動勢相反。

磁場定向控制

若要實現正弦波形以便控制永磁同步電機，需要使用磁場定向控制（FOC）算法。磁場定向控制或矢量控制是一種利用兩個正交分量對三相電機中的定子進行變頻控制的技術。一個正交分量定義定子產生的磁通量，而另一個則對應于電機速度定義的扭矩，由轉子位置決定。

磁場定向控制算法通常用于最大限度地提高以正弦模式運行的三相永磁同步電機的效率。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。這將在電機籠內產生一個旋轉的南北磁場。磁場定向控制算法需要電機位置和速度來進行計算。

用于永磁同步電機的正弦控制器更加復雜，因此比無刷直流電機梯形控制器更加昂貴。成本增加確實帶來了一些優勢，例如噪音更低、電流波形中的諧波更少。但是，無刷直流電機的主要優勢是更易于控制。選擇哪種電機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配合使用。但是，使用六步梯形算法，無刷直流電機的性能可能更好，而永磁同步電機使用正弦波換向算法時性能更高。

選擇帶傳感器的電機還是無傳感器電機

本節我們將仔細研究無刷直流電機和永磁同步電機中兩種非常重要的類型 ：帶傳感器的電機和無傳感器電機。

帶傳感器的無刷直流電機

帶傳感器的電機/ 永磁同步電機用于需要電機在負載下啟動的應用中。它們使用嵌入電機定子的霍爾傳感器。該傳感器本質上是一個開關，其數字輸出等同于感測到的磁場極性（即 HI 代表北，LO 代表南）。電機各相都需要一個單獨的霍爾傳感器。單相無刷直流電機 / 永磁同步電機只需要一個霍爾傳感器 ；三相無刷直流電機 / 永磁同步電機需要三個霍爾傳感器。利用這些傳感器，控制器可獲得轉子位置，確定哪個扇區（例如磁場極性）需要激勵，并確定何時應用激勵方案。

最近，利用越來越多的位置點來提供轉子絕對位置的霍爾傳感器已上市。

無傳感器電機

基于硬件的感測會增加傳感器、布線以及制造的成本，還會降低電機制造良率。由于這些原因，很多應用中越來越普遍使用無傳感器電機。

無傳感器電機要求算法將電機作為傳感器來運行。它們依靠反電動勢信息。在控制無刷直流電機的傳統六步梯形換向算法中，任何指定時間只有兩相通電，如圖 2-2 所示。另一相處于浮動狀態，為電機的反電動勢提供了一個窗口。通過對對此反電動勢采樣，可推斷出轉子位置，從而無需使用基于硬件的傳感器。

不管電機的拓撲結構如何，控制這些機器均需要了解轉子的位置，這樣才能使電機進行有效換向。如果轉子的旋轉磁場是通過與定子的永磁體的相互作用產生的，系統的運動和效率都會受到影響。有些電機使用傳感器和帶傳感器的算法來獲得轉子位置，而其他一些電機不帶傳感器，從數學模型（無傳感器算法）得出轉子位置。

無傳感器算法的一個缺點在啟動時出現，此時電機速度為 0。因為反電動勢與電機速度成正比，當電機速度為零時，反電動勢也為零。沒有反電動勢值，就無法推斷轉子位置。此問題可通過新型算法解決 ：將高頻信號注入三相來推斷轉子位置。

選擇帶傳感器還是不帶傳感器通常取決于成本。一般來說，根據性能、成本及其他因素來決定選擇無刷直流電機還是永磁同步電機。

無傳感器控制可降低成本，因為它無需額外的硬件，并使電機制造良率接近 100%。因此，在風扇、冰箱壓縮機、空調以及許多園藝工具等低成本、變速電機應用中，無傳感器電機控制很常見。但是，啟動時需要高扭矩的應用（如電動自行車和很多電動工具）需要有傳感器的電機。

永磁同步電機與磁場定向控制算法相結合通常可提供最高性能。但永磁同步電機的成本一般高于無刷直流電機（雖然差距正在縮小），控制也更為復雜。機器人技術和伺服應用可能會因永磁同步電機而受益。

探討小型化電機控制器

當今許多集成電機控制和驅動設備都非常復雜。它們需要模擬電路，如從相電流中抽樣的差分放大器，還需要將這些值轉移到數字域的模數轉換器（ADC）。除了這兩個模塊，它們還需要比較器來進行電流采樣，保護系統免受過電流的影響。它們利用可編程數模轉換器 (DAC) 作為基準，并采用其他模擬模塊（如單端放大器）來采集相電壓。

現在，無需使用分立組件來實現所有這些功能，而是可以將這些模塊集成到單個設備中。這樣做可確保為所有應用提供緊湊的解決方案。產品工程師不必再將許多獨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 (SOC)。

如圖 2-3 所示，微處理器內核具有模擬前端、電源驅動、電源管理、脈寬調制 (PWM) 發生器以及序列驅動數據采集功能。電源管理器還處理一些系統功能，其中包括內部基準生成、定時器、休眠模式管理以及電源和溫度監控。

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