電機控制算法及其工作原理

1.直流電機控制器基礎

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。

在從汽車到冰箱和庭院工具等極其廣泛的產品中，電機發揮著非常重要的作用。根據 IMS Research 的數據，每年市場上增加110 億臺電機，其消耗的電能占總耗電量的 45%。從傳統的有刷直流電機到無刷電機，這一市場正在發生深刻變革。原因有多個，其中包括眾多行業對提高能源效率的強烈需求。此外，便攜式工具等不插電應用逐漸興起，它們需要體積更小、重量更輕、耗電量更少的電機，從而使電池能夠持續使用更長時間。

無刷電機具有許多優勢，例如效率更高、重量更輕、控制更精確。但是，與傳統的有刷電機不同，它們需要電子控制。因此，電機控制市場也隨著有刷電機向無刷電機的轉變而發展。在本章中，我們將介紹各種類型的電機，并闡明新技術如何使直流電機在很多不同類型的產品中得到應用。我們還將介紹直流無刷電機的工作原理。

電機類型簡介 ?

如今主要有如下幾種類型的電機：有刷直流電機、步進電機、感應電機以及無刷直流（BLDC）電機 / 永磁同步電機（PMSM）。圖 1-1 是對電機類型的匯總。

密切相關的兩種無刷電機——無刷直流（BLDC）電機和永磁同步電機（PMSM）越來越廣泛地應用于眾多領域。這些電機不需要電刷和換向器，因此比有刷電機更高效，并可有效延長電機壽命。

在有刷電機中，轉向（在各相中切換電流，以便形成能夠產生運動的旋轉磁場的過程）由電刷 / 換向器接口產生。該接口會產生不利的摩擦和電弧。

無刷直流（BLDC）電機和永磁同步電機（PMSM）采用電子生成的旋轉磁場，因此不需要使用電刷和換向器。這是通過使用外部電路調節傳送到各相的電壓和電流來實現的。

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

BLDC 電機 /PMSM 的興起 ?

組位于定子（電機的靜止部分）。將繞組放在電機靜止不動的部分，并將永磁體放在轉子上，這樣就不需要電刷了。在無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（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）電機或永磁同步電機（PMSM）比其他類型的電機具有明顯優勢，因此，在許多應用中，它們正逐漸取代有刷直流電機和感應電機。實際上，無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）已廣泛應用于汽車、電動工具和家用電器中。

與傳統的有刷電機相比，無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）具有諸多優勢。它們節能，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，更適合用于變速應用。最后，它們還具有出色的速度扭矩特性。

無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（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。霍爾傳感器或旋轉編碼器檢測轉子的位置，通過分析傳感器輸出端極性和變化率來測量速度。像圖 1-2 中所示的三相無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）需要三個霍爾傳感器。

電機或永磁同步電機（PMSM）采用電子換向電路，因此，它們需要監控電路來確保線圈激勵精確定時，從而準確調節速度、恰當控制扭矩以及提高效率。在許多需要可調速和準確控制位置的新型電機應用中，這種驅動電路是必不可少的。

好消息是，所有必需的模擬功能都與功能強大的微控制器一起集成到單個電機控制單元中，從而驅動外部（或某些情況下集成在單元內部）功率金屬氧化物半導體場效應晶體管。這種單獨控制單元可簡化設計流程并降低組件成本。

了解電機控制器的工作原理 ?

電機控制器可完成多項非常重要的工作。其最基本的功能是通過控制各相的電壓來調節電動機的速度和方向。但電機控制器還：

調節電機速度、扭矩或功率輸出

控制啟動或軟啟動

防止出現電路故障

使電機加速和減速更平穩

防止過載

為實現所有這些功能，電機控制器必須比以往更加智能。例如，它們能夠通過監測負載并調整扭矩使其匹配來提高效率。提高效率的同時還減少電機的熱量、噪音和振動。

具有常規三相逆變器的無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）傳統上需要多個集成芯片（IC）來提供各種電機控制器功能。這其中包括微控制器、用于驅動功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的預驅動功率級、用于放大檢測到的電機電流的差分放大器、提取反電動勢 (BEMF) 信息的比較器以及降低電壓的開關式和線性穩壓器。

由于半導體技術的進步，如今很多功能都被并入一個小型控制裝置中。

2.電機控制裝置

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。

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。

3.電機控制算法

本章中，您將了解電機控制算法及其工作原理，還將了解各領域的一些實際范例。

算法是一組為執行特定任務而設計的指令。計算機程序本質上是多組算法。

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

電機初始化

霍爾傳感器轉子位置檢測

檢查開關信號是增加電流基準還是減少電流基準

檢查電機旋轉方向

了解控制器如何處理傳感器信息 ?

無刷直流電機定子有三個霍爾傳感器，各相彼此相隔 120 度（參見第 2 章）。當它們的數字輸出數據合并在一起時，會產生一個代表轉子位置的三位數字。

如圖 3-1 所示，可用三位代碼代表 1 到 6 之間的操作碼。三相無刷直流電機有六種狀態（從三相輸出得出的六種可能的電流狀態）。傳感器利用八個操作碼中的六個（1 到 6）生成三位數的數據輸出。該信息很有用，因為控制器可確定何時發出了非法操作碼（0 和 7），并根據合法操作碼（1 到 6）執行動作。

閱讀圖 3-1 中的查找表的方法如下：

當霍爾傳感器W、V、U等于操作碼1-0-1、操作碼5時，扇區0激勵。

當霍爾傳感器W、V、U等于操作碼1-0-0、操作碼4時，扇區1激勵。

依此類推，可獲得其他各種可能的狀態。

各個霍爾傳感器都位于轉子上，因此每個轉子扇區都會出現一個變化狀態。如圖 3-1 所示，該算法會獲取霍爾傳感器操作碼并對其進行解碼。一旦霍爾傳感器操作碼的值發生變化，控制器就必須更改激勵方案以實現換向。微控制器利用操作碼從查找表中提取激勵信息。三相逆變器通過新扇區命令激勵后，磁場移動至新位置，從而推動轉子。電機運行時，此過程不斷重復。

了解脈沖寬度調制 ?

有些電機僅需要一個速度，因此它們只需要恒定直流電壓進入逆變器，如圖3-1 所示。但是，如今許多產品，其中包括很多電動工具和園藝工具，都需要變速電機。這種電機利用脈沖寬度調制（PWM）來改變電機速度。脈寬調制可精準控制電機速度和扭矩，從而實現變速。

寬調制（PWM）是具有恒定頻率的方波信號，如圖 3-2 所示。脈寬調制將逆變器直流電壓轉換為調制后的有效電壓。例如，利用占空比為 0% 到100% 的脈寬調制控制信號，可使用 12 伏電池向電機施加 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電流以及調節電機速度和扭矩。

脈寬調制開關頻率是電源開發階段必須牢記的重要設計因素。提高開關頻率會增加開關損耗，但可改善低電感電機中的電流穩定度。降低開關頻率會增加電流紋波，電流紋波將轉化為扭矩紋波（例如振動）。應用電壓和電機電感將引導設計人員選擇正確的脈寬調制開關頻率。根據經驗，電壓或電流越高，所需要的開關頻率就越低。

持續改變脈寬調制信號會改變占空比，如圖 3-3 所示。它給出了一系列電壓值，而這反過來又會改變電機速度。您可利用這些脈寬調制占空比的變化來改變進入電機繞組的電壓。

識別無刷直流電機 / 永磁同步電機典型應用 ?

本節中，我們將探討無刷直流電機 / 永磁同步電機在電動工具、園藝工具、白色家電和車輛等關鍵產品類型中的某些常見用途。

電動工具 ?

電池（尤其是經久耐用的高能量密度電池）供電的無繩電動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域迅速轉向無刷直流電機 /永磁同步電機。

傳統上，電動工具由通用交流 / 直流有刷電機、開關或電位計以及將其與電源插座連接的電線構成。在將近一個世紀的時間里，人們利用這種方法設計出了種類繁多的電動工具。但是，在無繩電動工具中，必須考慮操作時間，因為操作時間受到電池性能的限制。鉆孔機、圓鋸及其他類似工具需要在負載下啟動，因此它們使用傳感器和基于傳感器的算法，其中大多數使用無刷直流電機和六步梯形換向方案。

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

園藝工具 ?

園藝工具包括割草機、打邊機、鏈鋸、吹葉機以及切邊機。它們可能看起來屬于電動工具，但傳統的電動工具（如鉆孔機和鋸）是電力驅動，而園藝工具大多由燃氣內燃機提供動力，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，但因功能薄弱而并不引人注意。但是，隨著無刷直流電機 / 永磁同步電機和高壓電池領域的技術進步，它們的命運已發生逆轉！如今的園藝工具采用 40 伏到 80 伏電池技術，其性能與燃氣動力同類產品的性能一樣出色。這么高的電壓甚至足以使無刷直流電機 / 永磁同步電機為拖拉機式割草機提供動力！

白色家電 ?

白色家電行業為我們提供了很多家用電器，如冰箱、洗衣機和烘干機、真空吸塵器以及吊扇。傳統上，所有這些電器都使用不需要專用驅動器 / 控制器的交流感應電機。但是，隨著節電措施的出現以及用戶對某些家電變速的需求，交流感應電機已逐步被無刷直流電機 / 永磁同步電機取代。

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

汽車行業 ?

您所擁有的機器中，電機數量最多的一臺機器最可能是您的運輸機器——汽車！電動座椅、電動窗、電動后視鏡、門鎖、雨刮、水泵、油泵、風扇、鼓風機等等。您的汽車的各個位置可能裝配有二十幾個到多達 50 個電機，它們都需要被驅動和控制。

傳統上，汽車中的所有電機都是簡單的有刷直流電機。但是，人們對能源使用和氣候變化的擔憂預示著一個注重節能的新時代的到來。以熱量形式耗散的能源必須通過燃燒更多的化石燃料產生，因此使用更高效的電機可減少碳足跡。即使每個電機僅能節省相對較少的能源，但如果將其乘以每輛汽車中電機的數量以及全球大約有 14 億輛汽車這一實際數字，便可明顯看出，把有刷直流電機換成無刷直流電機 / 永磁同步電機意義重大。

4.電機控制領域的十大重要事實和發展趨勢

由于技術進步，集成正在占領電機控制市場。各種尺寸和功率密度的無刷直流電機 (BLDC) 和永磁同步電機 (PMSM) 正迅速取代有刷交流/直流和交流感應等電機拓撲結構。

無刷直流電機/永磁同步電機在機械上具有相同的結構，但定子繞組除外。它們的定子繞組采用的是不同的幾何結構。定子始終與電機磁體相對。這些電機低速時可提供高扭矩，因此非常適合伺服電機應用。

無刷直流電機和永磁同步電機無需使用電刷和換向器來驅動電機，因此比有刷電機更加高效可靠。

無刷直流電機和永磁同步電機利用軟件控制算法代替電刷和機械換向器來驅使電機運行。

無刷直流電機和永磁同步電機的機械結構很簡單。電機的非旋轉定子上有一個電磁繞組。轉子采用永磁體制成。定子可以在內部或外部，并且總是處于磁體的對面。但定子始終是固定不動的部分，而轉子始終是移動(旋轉)的部分。

無刷直流電機可以有 1、2、3、4 或 5 相。它們的名稱和驅動算法可能不同，但本質上都是無刷的。

有些無刷直流電機帶有傳感器，可幫助獲得轉子位置。軟件控制算法利用這些傳感器(霍爾傳感器或編碼器)來輔助電機換向或電機轉動。當應用需要在高負載下啟動時，需要這些帶有傳感器的無刷直流電機。

如果無刷直流電機沒有用于獲取轉子位置的傳感器，則使用數學模型。這些數學模型代表無傳感器算法。在無傳感器算法中，電機就是傳感器。

與有刷電機相比，無刷直流電機和永磁同步電機具有一些重要的系統優勢。它們能夠利用電子換向方案驅動電機，從而可使能源效率提高 20% 到 30%。

如今很多產品需要可變化的電機速度。這些電機需要脈寬調制 (PWM) 來改變電機速度。脈寬調制提供對電機速度和扭矩的精確控制，可實現變速。

審核編輯：黃飛