關于立锜電機控制技術的介紹

日本一家著名企業(yè)在設計 40W 空氣凈化器時遇到了難題，它運行時發(fā)出的噪聲的聲壓級達到了 35dBA。

35dBA 的聲壓級不算是很高，在一間非常安靜的屋子里就能測量到這樣的噪聲水平，我們說悄悄話時也能達到這樣的響度。一般人可能不會在意這樣的聲音，但比較敏感的人就很難容忍了，尤其是在他們需要睡眠的時候，這可能讓他們很煩躁。

在淘寶上能搜索到很多聲壓計量產品，即使這些產品做得非常專業(yè)，它們能夠測量的聲壓下限也是 30dB，大概是因為能夠引起大多數(shù)人注意的聲壓范圍下限就在這兒了，測量再低的數(shù)據(jù)對很多人來說已經沒有什么必要。

我們都知道日本人對產品缺陷是很挑剔的，為了讓產品更安靜，他們找到了立锜，立锜提供了一套全新的直流無刷電機驅動解決方案（核心型號為 RT7075），直接替換原有方案以后，空氣凈化器的噪音水平便降到了最高 25dBA 以下，下圖就是前后測試數(shù)據(jù)的對比圖：

數(shù)據(jù)中的橙色部分是采用最初的電機驅動方案時測得的，該方案由一家日本 IC 廠商提供；藍色部分是采用立锜方案以后測得的，它幾乎在所有轉速情況下都比原有方案表現(xiàn)得更好。實際的測試是在聲學實驗室里進行的，下圖是測試時獲得的現(xiàn)場照片，不是很清晰，但也能看得很明白，所有的外來干擾都被屏蔽掉了，這樣就保證了測試結果的客觀性，不會像我們說說悄悄話的聲音有多大一樣，是完全憑自己的主觀感覺來做判定的。

實際上關于悄悄話的音量等級還是有評估數(shù)據(jù)的，我在網(wǎng)上查到的數(shù)據(jù)范圍是 20-40dB，具體落在那里，這就看當事人的狀況了。由于兩個聲音的響度有 5dB 的差異時人耳就能感覺到明顯的不同，立锜方案使機器的最高噪聲一下子降低了 10dB 以上，這便是非常明顯的改善了，自然得到了客戶的認同和采用。

一臺空氣凈化器的噪聲源可能有好幾個，一為氣道，二為風機葉片，三為電機，在上述的替換中氣道、葉片都無變化，剩下的就只有電機了。

想要電機無聲運轉，轉子轉動時就不能有任何振動發(fā)生，這需要其定子和轉子之間的精密配合才能實現(xiàn)。

立锜科技直流無刷電機驅動方案是以 ARM Cortex-M0 32 位 MCU 為核心的，外圍集成了高精度的 ADC、DAC、電流檢測器、通訊接口、看門狗定時器和可控制生成正弦電流的 PWM 信號發(fā)生器等必要的外圍接口，控制系統(tǒng)運行的系統(tǒng)固件就存放在芯片中集成的存儲器里，它們是可以反復改寫的。如果從引腳配置來看，這種電機控制器（RT7100）與一片普通的 MCU 并無不同，如下圖所示：

只有把這個控制器和門極驅動器、功率元件及電機負載等連接起來的時候，我們才能比較清楚地看到它的應用目的：

下圖可以讓我們一覽它的內部組件：

用戶在使用普通的 MCU 時需要自行設計軟件代碼，可編寫電機控制軟件對于大多數(shù)人來說并不容易，所以立锜銷售的電機控制器都是預先寫入可用程序了的。這種嵌入式的程序由于固化于芯片中，因而有一個特別的詞來對它進行表達，這便是“固件”，所對應的英文單詞是 firmware，與 software（軟件）、hardware（硬件）恰好形成對照，而這種解釋也是我自己推理得出的，不知道軟件行業(yè)是否也這樣進行解釋，因為在我從事軟件設計的時候還沒有固件這一說法，那時只會說“軟件”或是“程序”。

立锜電機控制軟件的核心是磁場矢量的控制算法，這在英文里有一個稱呼叫 Field Oriented Control，簡稱 FOC。名稱中的 Oriented 是很重要的，它說明要對磁場的方向進行定位，因為電機的轉子磁場是不變的，你要驅動它旋轉，驅動它的磁場就必須是旋轉的，而且兩者必須同步，否則就會發(fā)生不必要的抖動，甚至可能出現(xiàn)逆轉等現(xiàn)象。下面的動圖是我從網(wǎng)上淘來的，從中可以看出轉子磁場是如何旋轉的，該磁場和定子線圈之間的關系也可以看出來：

當三個定子線圈中分別通過不同的電流時，它們也分別生成了一個特定的磁場，而這些磁場合成起來的磁場就成了驅動轉子磁場運動的因素，它通過轉子磁場將作用力施加在轉子上，轉子也就在這樣的力的作用下有了特定的運動。將這些磁場分別用矢量來表達，就有了下面的動圖可以用來做參考，需要說明的是這個圖也是從網(wǎng)上淘來的，我得在這里對它們的制作者表達感謝。

只要最后合成的矢量總是以相同的速度在一個圓周上勻速運動，轉子的轉動就是平穩(wěn)無抖動的，因而也不會有抖動噪聲出現(xiàn)，這時候流過各個線圈的電流的波形就是一個典型的正弦信號的樣子。從某種意義上可以這樣說，判斷一個電機驅動器性能如何的方法就是測量其電流波形，它越接近正弦，則它的性能越好，反之則很難這樣去想了。測量立锜直流無刷電機驅動器獲得的電流波形是這樣的：

由于獲得低頻正弦波相對較難，所以這個波形是在電機轉速為 150rpm 時進行的，這樣也能讓你知道在這件事情上立锜人做得確實不錯。而在相同條件下對其他品牌的電機驅動器進行測量，得到的波形就沒有這么美觀了，下面的兩幅圖形就是這樣得來的。

由于不穩(wěn)定的驅動帶來的振動會直接在電機軸上表現(xiàn)出來，所以觀察電機軸的振動信號也是有意義的。前述的日本廠商就進行了這樣的測量，測量所得的振動信號的頻譜圖如下：

這是使用立锜方案時的測量結果，振動幅度為 1470mm，而原有方案所導致的振動幅度則達到了 2060mm，相對來說其性能就要差一些，其頻譜分布如下圖所示：

立锜科技為市場提供的直流無刷電機驅動解決方案由電機控制器、門極驅動器、功率元件等產品以及由電機控制器和門極驅動器集成在一起的二合一產品和將電機控制器、門極驅動器及功率元件都集成在一起的三合一產品組合而成，組成完整的電機控制系統(tǒng)所需要的 PFC 控制器、電源轉換器等產品也都齊備，因而可以滿足客戶在應用上的所有需求，請有需要者和立锜聯(lián)絡，獲取相關的產品和業(yè)務信息，加速自己的產品開發(fā)進程。最重要的還是要讓產品的性能更好一點，這是我們大家都希望的，也希望立锜不會讓你失望。