【導讀】消費者對功率、可靠性、功能性和性能的需求不斷上升，推動(dòng)著(zhù)電子設備（包括剪草機、冰箱、真空吸塵器、汽車(chē)等）的快速發(fā)展。制造商希望實(shí)現全方位交付。電機控制在兌現這些承諾方面發(fā)揮著(zhù)主要作用，而了解基本原理是實(shí)現這一目標的第一步。
本博文包含節選自 《電機控制基礎lDummies 》電子書(shū)的摘錄，同時(shí)介紹了無(wú)刷直流 (BLDC) 電機管理的電機控制關(guān)鍵要素，以及如何在降低成本、節省空間和提高性能的同時(shí)，提高電機效率。您可以在 Qorvo 設計中心的電子讀物部分下載整本書(shū)。
以下是本電子書(shū)中的一些亮點(diǎn)：
1. 不同的電機類(lèi)型
當今可用的幾種電機控制拓撲結構：有刷、無(wú)刷直流 (BLDC)、步進(jìn)和電感。BLDC 和永磁同步電機 (PMSM) 是兩種最密切相關(guān)的無(wú)刷電機類(lèi)型。
電機控制基礎Dummies
無(wú)刷電機無(wú)需使用電機電刷，因而廣泛用于當今的許多應用中。這些 BLDC 拓撲結構使用換向邏輯來(lái)移動(dòng)轉子，從而提高電機的效率和可靠性。
有刷電機中的換向由電刷/換向器接口實(shí)現。該接口會(huì )產(chǎn)生摩擦和電弧，隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )降低電刷的性能。這種摩擦會(huì )產(chǎn)生熱量并縮短電機的使用壽命。
與有刷電機相比，BLDC 電機有許多優(yōu)點(diǎn)。它們更節能、更小巧、更輕便、更安靜、更可靠、更耐用。此外，它們還提供精確的速度控制，更適合變速應用。
2. 了解 BLDC 和 PMSM 類(lèi)型的電機
BLDC 和 PMSM 電機的工作原理與同步電機相同。轉子在每次換向時(shí)都會(huì )繼續跟隨定子轉動(dòng)，所以電機能夠持續運轉。然而，這兩種直流電機的定子繞組采用不同的幾何形狀，因此可產(chǎn)生不同的反電動(dòng)勢 (BEMF) 響應。BLDC BEFM 為梯形。PMSM 電機的 BEMF 則為正弦曲線(xiàn)形，因此線(xiàn)圈繞組以正弦方式纏繞。為最大限度地提高性能，這些電極通常采用正弦波換向。
BLDC 和 PMSM 電機在運行時(shí)通過(guò)其繞組產(chǎn)生電動(dòng)勢。在任何電機中，由于運動(dòng)，產(chǎn)生的 EMF 稱(chēng)為反電動(dòng)勢 (BEMF)，這是因為電機中感應的電動(dòng)勢與發(fā)電機的電動(dòng)勢相反。
3. 磁場(chǎng)定向控制說(shuō)明
為實(shí)現控制 PMSM 電機的正弦波形，需要使用磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法。FOC 通常用于最大限度地提高 PMSM 三相電機的效率。與 BLDC 的梯形控制器相比，PMSM 的正弦控制器更為復雜，成本也更高。然而，成本的增加也帶來(lái)了一些優(yōu)勢，如減少了電流波形中的噪聲和諧波。BLDC 的主要優(yōu)勢是更易于控制。最后，最好根據應用需求來(lái)選擇電機。
4. 帶傳感器和不帶傳感器的 BLDC 和 PMSM 電機
BLDC 和 PMSM 電機可帶傳感器，也可不帶傳感器。帶傳感器的電機適用于需要在負載條件下起動(dòng)電機的應用。這些電機使用霍爾傳感器，傳感器嵌入電極定子中。從本質(zhì)上說(shuō)，傳感器就是一種開(kāi)關(guān)，其數字輸出等同于檢測到的磁場(chǎng)極性。電機的每個(gè)相都需要使用一個(gè)單獨的霍爾傳感器。因此，三相電機需要三個(gè)霍爾傳感器。不帶傳感器的電機需要將電機用作傳感器，采用算法來(lái)運行。它們依賴(lài)于 BEMF 信息。通過(guò)對 BEMF 進(jìn)行采樣，可推斷出轉子的位置，從而無(wú)需使用基于硬件的傳感器。無(wú)論電機的拓撲結構如何，控制這些機器需要了解轉子位置，這樣電機才能有效換向。
5. 電機控制軟件算法
如今，計算機程序之類(lèi)的軟件算法（即為執行具體任務(wù)而設計的一組指令）開(kāi)始用于控制 BLDC 和 PMSM 電機。這些軟件算法通過(guò)監控電機運行來(lái)提高電機效率，降低運行成本。算法中的一些主要功能包括電機初始化、霍爾傳感器位置檢測以及用于提高或降低電流基準的開(kāi)關(guān)信號檢查。
6. 控制器如何處理電機傳感器信息
三相 BLDC 電機具有 6 種狀態(tài)。如下圖所示，三位代碼可用于表示 1 至 6 之間的操作碼編號。傳感器用于通過(guò) 8 個(gè)操作碼中的 6 個(gè)操作碼（1 至 6）提供三位數據輸出。該信息非常有用，因為控制器可確定何時(shí)發(fā)出了非法操作碼，并根據合法操作碼（1 至 6）執行操作。如下圖所示，算法獲取霍爾傳感器操作碼，并對其進(jìn)行解碼。當霍爾傳感器操作碼值發(fā)生變化時(shí)，控制器就會(huì )改變送電方案，以實(shí)現換向。微控制器使用操作碼從查找表中提取送電信息。在使用新的扇區命令給三相逆變器送電后，磁場(chǎng)轉移至新位置，同時(shí)推動(dòng)著(zhù)轉子沿著(zhù)移動(dòng)方向運動(dòng)。電機運轉時(shí)會(huì )不斷重復此過(guò)程。
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