數十年來(lái)，大多數電機控制應用都依賴(lài)于可為其實(shí)現低成本與實(shí)施簡(jiǎn)便性的通用有刷 DC 與步進(jìn)電機。不過(guò)，隨著(zhù)微處理器 (MCU) 架構的不斷創(chuàng )新與集成度的不斷提高，當今開(kāi)發(fā)人員能夠采用更先進(jìn)與更智能的電機類(lèi)型與控制機制，以極低的成本提高電機的精度、性能、電源效率和使用一系列狀態(tài)簡(jiǎn)化控制復雜性。所支持的狀態(tài)越多，對位置的控制精確度就越高，但這同時(shí)也意味著(zhù)需要更復雜的處理過(guò)程壽命。

1.高級電機類(lèi)型

AC 電感 (ACI) 電機能很好地滿(mǎn)足各種不同高性能應用的需求，其中包括白色家電、泵、風(fēng)扇以及壓縮機等(如冰箱和 HVAC 系統)。由于電機的內部定子和轉子由可變電流控制且以不同的速度旋轉，因而 ACI 電機采“持續”的控制方案來(lái)提高定位精度。

PMSM 可實(shí)現低噪聲工作和最小轉矩，理想適用于需要高精度位置控制、超高速度和/或極高轉矩的應用用異步工作模式。ACI 擁有優(yōu)異的速度與扭矩控制，能夠以較低的成本實(shí)現卓越的穩健性，且在高速情況下具有出色的效率。ACI 的主要劣勢在于其需要復雜的反饋和控制機制，才能避免速度變化和較低速度時(shí)的效率不受影響。

無(wú)刷 DC (BLDC) 電機采用同步工作模式，可通過(guò)可變電流控制定子磁通量，而定子磁通量則由永磁線(xiàn)圈或電流饋電線(xiàn)圈保持為常量。同步控制能夠提供非常高的位置精度，以及更高的電源效率(也就是說(shuō)，由于磁鐵固有的磁通量，因而驅動(dòng)電機所需的電流可以降低)。

BLDC 電機采用一系列狀態(tài)(參見(jiàn)圖 1)對位置進(jìn)行控制。所支持的狀態(tài)越多，對位置的控制精確度就越高，但這同時(shí)也意味著(zhù)需要更復雜的處理過(guò)程。由于 BLDC 為無(wú)刷操作，因而理想適用于維護和磨損對總擁有成本影響較大的應用領(lǐng)域。

BLDC 是發(fā)展速度最快的一種電機類(lèi)型，能針對中高扭矩實(shí)現高效可靠的操作，具有高功率密度和可用于易燃環(huán)境等特性，非常適用于自動(dòng)化、牽引、精密設備和白色家電等應用。由于 BLDC 采用簡(jiǎn)單的換向技術(shù)，因而這種系統復雜度較低、重量較輕，有助于實(shí)現小尺寸、高效率、低成本等優(yōu)異特性，而且在變速及低速情況下均能實(shí)現出色性能。

永磁同步電機 (PMSM) 與 BLDC 電機的不同之處在于采用了“持續”的控制方案(參見(jiàn)圖 2)。也就是說(shuō)，PMSM 可實(shí)現低噪聲工作、最小的換向轉矩紋波，且能與低成本的分布繞組協(xié)同配合。其可支持更高的最高可達速度和更高的效率與轉矩，因此非常適用于需要高精度位置控制、超高速度和/或極高轉矩的應用，例如牽引、高精度自動(dòng)化(機器人)以及混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(chē)等。


2.智能控制機制

對于如何控制不同類(lèi)型的電機而言，開(kāi)發(fā)人員有許多選擇，具體取決于保持電機效率的工作范圍(如高/低速度、高轉矩)以及需要多高的精度(如位置、速度、轉矩等)。每一種控制機制都在成本、電源效率、精度和性能方面擁有最佳的平衡點(diǎn)。

簡(jiǎn)單的標量控制(也稱(chēng)為 V/f 或單位頻率電壓)是一種用于驅動(dòng) ACI 電機的流行方法，因為這種方法實(shí)施起來(lái)簡(jiǎn)單直接，且其相應的處理要求也不高?？赏ㄟ^(guò)改變用于驅動(dòng)電機的正弦波頻率來(lái)管理速度，無(wú)需控制電流或優(yōu)化轉矩。但是，簡(jiǎn)單的標量控制在高速和低速情況下轉矩效率均較低，動(dòng)態(tài)性能不佳，對變化的響應遲緩，對設置點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)沖，并在低速情況下內部電源損耗非常嚴重。

磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 相對于簡(jiǎn)單標量控制而言，FOC是一種智能化程度更高的控制機制，根據應用的不同，其更高的復雜性能實(shí)現相對更出色的低成本性和電源效率以及更高的精度和性能。此外，FOC 也稱(chēng)為矢量控制，能在整個(gè)轉矩和速度范圍內實(shí)現對 ACI 和 PMSM 電機(表 1)的最佳控制。

FOC 不僅能在最小化轉矩紋波的同時(shí)提升起始轉矩，而且還能有效支持所有速度的最大轉矩。其可對變化進(jìn)行快速響應并能在滿(mǎn)負載條件下保持零速，從而可在整個(gè)電機速度范圍內確保性能穩定可靠。由于 FOC 采用電流控制模式，因而開(kāi)發(fā)人員可根據特定應用來(lái)相應優(yōu)化電源轉換器電路和電機大小。

梯形與正弦控制是 BLDC 電機控制兩種最主要的選擇。由于梯形控制比較簡(jiǎn)單且成本較低，因而傳統上一直屬于首選方法。但是，為了實(shí)現更順暢的操作、更及時(shí)的轉矩響應性以及更低的電氣噪聲，現在許多開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始轉而采用正弦控制方法。這不僅能提高性能和效率，還能配合分布繞組工作，且在較高速度條件下也能表現出更強大的控制能力，從而有助于 OEM 廠(chǎng)商實(shí)現出色的系統差異化。例如，梯形控制法的 EMI(電磁干擾)較高，會(huì )造成電機系統不穩定，從而顯著(zhù)影響性能，同時(shí)還會(huì )加大人耳可覺(jué)察的干擾噪音。
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3.反饋

高級控制機制的更高性能和復雜性從一定程度而言都與反饋環(huán)路的使用有關(guān)。反饋環(huán)路可對速度、位置/角度、電流、磁通量以及轉矩進(jìn)行調節。FOC 需要測量速度以及轉子與定子之間的角度。梯形和正弦控制則需要測量速度、位置和電流。

開(kāi)發(fā)人員既能夠采用傳感器也能夠采用無(wú)傳感器方案來(lái)實(shí)施反饋。就采用 ACI 電機的應用而言，可使用測速計直接測量速度。采用 PMSM 的設計方案則可使用編碼器或分解器對位置進(jìn)行跟蹤，同時(shí)可通過(guò)測量一定時(shí)間內的位置變化來(lái)計算速度。傳感器確實(shí)會(huì )增加系統的成本和組件數量，但對高精度系統來(lái)說(shuō)往往是必需的。

對于無(wú)傳感器的方案而言，需要通過(guò)滑模 (Sliding Mode) 和模型參考自適應系統 (MRAS) 等“狀態(tài)觀(guān)察器”根據實(shí)時(shí)電流與電壓的測量結果對電機的速度和角度進(jìn)行建模(也就是進(jìn)行估算)。這種方法的益處是電流和電壓傳感器比位置傳感器(采用單個(gè) DC 分流就能以低成本的方式對電流進(jìn)行可靠的測量)便宜得多，但實(shí)施數學(xué)電機建模工作會(huì )占用系統微處理器一定量的 MIPS 資源。


4.集成型電機控制

當前片上系統集成的發(fā)展趨勢改變了開(kāi)發(fā)人員實(shí)施電機控制的方式?，F在，支持智能控制機制實(shí)施的 MCU 成本還不足 2 美元，即便對大量低成本應用而言也足以接受，有助于提升性能、效率和精度。舉例來(lái)說(shuō)，德州儀器 (TI) 的低成本 C2000 Piccolo MCU 可在單顆芯片上控制兩個(gè)電機，同時(shí)仍能為功率因數校正 (PFC) 等其他高價(jià)值特性預留足夠的性能空間。此外，這種微處理器還集成了眾多基于硬件的特性，能夠進(jìn)一步提升性能和效率。

1）加速器：基于硬件的處理能將主 MCU 解放出來(lái)，進(jìn)而加快計算速度并簡(jiǎn)化整體設計;例如，控制律加速器 (CLA) 能完全承擔起整個(gè)閉環(huán) FOC 系統的處理任務(wù);除了可提升電機控制的精度之外，加速器還能提供更多的處理預留性能空間，使開(kāi)發(fā)人員能夠通過(guò)抽象來(lái)簡(jiǎn)化設計，實(shí)施更高級的算法和/或采用成本更低的 MCU。

2）電機控制專(zhuān)用外設：MCU 上的集成外設不僅能降低系統成本、提高系統精度，而且還能加速設計進(jìn)程;例如，高分辨率和已同步的 ADC 能讓 MCU 通過(guò) CPU 獲取來(lái)實(shí)現 ADC 采樣同步，以執行時(shí)延極低的高準確度電流測量;基于硬件的可編程 PWM 配合增強型特性不僅能優(yōu)化性能，還能提升效率，并確保 ADC 采樣不與 PWM 切換同時(shí)發(fā)生;最后，諸如 CAP/QEP 傳感器接口等集成型接口能夠顯著(zhù)簡(jiǎn)化設計工作、減少組件數，并降低系統成本。

3）實(shí)時(shí)調試支持：電機控制應用面臨的一個(gè)特殊挑戰，就是要在電機不間斷運行的情況下，持續提供中斷的同時(shí)進(jìn)行系統調試;為了實(shí)現這一目標，需要讓基于硬件的實(shí)時(shí)調試電路系統幫助開(kāi)發(fā)人員以非侵入式的方式直接存取內部微處理器資源;此外，基于硬件的調試還可對已部署的系統進(jìn)行現場(chǎng)故障排除。
加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程

獲得設計與調試所需的軟硬件是最大限度加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程的關(guān)鍵。比方說(shuō)，通用硬件平臺能幫助開(kāi)發(fā)人員實(shí)現設計的可擴展性，能針對不同應用實(shí)現軟件的重復使用，如從簡(jiǎn)單的電機應用直到高端的高精度應用等。此外，提供豐富電機控制庫的可視開(kāi)發(fā)工具也能進(jìn)一步擴展平臺的價(jià)值，使開(kāi)發(fā)人員能夠將現有框架進(jìn)行快速調諧以適用于特定的應用領(lǐng)域，從而實(shí)現高級別的功能。

可視開(kāi)發(fā)工具使開(kāi)發(fā)人員能夠將現有框架進(jìn)行快速調諧以適用于特定應用，從而實(shí)現高級別的設計。例如雙通道無(wú)傳感器 FOC 式 PMSM 系統的增量構建。在這一點(diǎn)上，開(kāi)發(fā)人員能夠確認目標獨立的模塊、占空比以及 PWM 更新。此外，對電機表現建模的功能還可幫助開(kāi)發(fā)人員在電機斷連時(shí)確認 PWM 操作，從而可避免意外熔斷。

開(kāi)發(fā)人員通?？赏ㄟ^(guò)采用定點(diǎn) MCU 來(lái)降低系統成本，不過(guò)代價(jià)是要手動(dòng)管理數學(xué)精度與分辨率問(wèn)題。采用諸如 TI IQMath 等庫抽象化算法設計，算法代碼可在 MCU 以及應用、控制機制與電機類(lèi)型之間進(jìn)行移植。

此外，抽象性還可簡(jiǎn)化第三方電機控制軟件與開(kāi)發(fā)平臺(如 Mathworks 的 Embedded Target 與 Visual Solutions 的 VisSim 等)之間的集成，促進(jìn)代碼重復使用，而且即便在浮點(diǎn)與定點(diǎn) MCU 之間也可實(shí)現代碼的“上下”移動(dòng)。

專(zhuān)為電機控制應用設計的高集成 MCU 的推出使開(kāi)發(fā)人員不僅能夠降低現有系統成本，而且還可采用更智能的控制機制提高系統性能、精度以及效率。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)了解其可使用的不同電機類(lèi)型與控制方法，就可選擇適當的方法與控制智能水平來(lái)構建易于擴展的高穩健系統，該系統不但支持各種增值特性，而且還可充分利用長(cháng)期的代碼投資。

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