電機控制算法及其工作原理

1.直流電機控制器基礎(chǔ)

簡介：消費者要求其家用電器、園藝工具和電機驅(qū)動產(chǎn)品動力更強、外形更小、效率更高。像很多消費類電子產(chǎn)品一樣，消費者也期望這些產(chǎn)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(yōu)化、高度集成的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)備。當(dāng)今的 SOC 設(shè)備是完全可編程的電機控制器，可提供高效、結(jié)構(gòu)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(guān)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(chǎn)品中，電機發(fā)揮著非常重要的作用。根據(jù) IMS Research 的數(shù)據(jù)，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(tǒng)的有刷直流電機到無刷電機，這一市場正在發(fā)生深刻變革。原因有多個，其中包括眾多行業(yè)對提高能源效率的強烈需求。此外，便攜式工具等不插電應(yīng)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(xù)使用更長時間。

無刷電機具有許多優(yōu)勢，例如效率更高、重量更輕、控制更精確。但是，與傳統(tǒng)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(zhuǎn)變而發(fā)展。在本章中，我們將介紹各種類型的電機，并闡明新技術(shù)如何使直流電機在很多不同類型的產(chǎn)品中得到應(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)用于眾多領(lǐng)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(zhuǎn)向（在各相中切換電流，以便形成能夠產(chǎn)生運動的旋轉(zhuǎn)磁場的過程）由電刷 / 換向器接口產(chǎn)生。該接口會產(chǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)傳送到各相的電壓和電流來實現(xiàn)的。

雖然這些電路稍微復(fù)雜一些，但與傳統(tǒng)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(yōu)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(zhuǎn)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(yōu)勢，因此，在許多應(yīng)用中，它們正逐漸取代有刷直流電機和感應(yīng)電機。實際上，無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）已廣泛應(yīng)用于汽車、電動工具和家用電器中。

與傳統(tǒng)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(yōu)勢。它們節(jié)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(yīng)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(zhuǎn)編碼器檢測轉(zhuǎn)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(jiān)控電路來確保線圈激勵精確定時，從而準確調(diào)節(jié)速度、恰當(dāng)控制扭矩以及提高效率。在許多需要可調(diào)速和準確控制位置的新型電機應(yīng)用中，這種驅(qū)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(qū)動外部（或某些情況下集成在單元內(nèi)部）功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。這種單獨控制單元可簡化設(shè)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(diào)節(jié)電動機的速度和方向。但電機控制器還 ：

調(diào)節(jié)電機速度、扭矩或功率輸出

控制啟動或軟啟動

防止出現(xiàn)電路故障

使電機加速和減速更平穩(wěn)

防止過載

為實現(xiàn)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(jiān)測負載并調(diào)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(guī)三相逆變器的無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）傳統(tǒng)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(qū)動功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的預(yù)驅(qū)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(guān)式和線性穩(wěn)壓器。

由于半導(dǎo)體技術(shù)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

簡介：消費者要求其家用電器、園藝工具和電機驅(qū)動產(chǎn)品動力更強、外形更小、效率更高。像很多消費類電子產(chǎn)品一樣，消費者也期望這些產(chǎn)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(yōu)化、高度集成的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)備。當(dāng)今的 SOC 設(shè)備是完全可編程的電機控制器，可提供高效、結(jié)構(gòu)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(guān)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(shù)和非技術(shù)類讀者而編寫的。如果您是行政人員、銷售員或設(shè)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(chǔ)。由于定子相序切換產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子磁極會試圖與其保持同步，從而使電機開始運轉(zhuǎn)。每次換向時，轉(zhuǎn)子都會繼續(xù)追隨定子，因此電機會持續(xù)運轉(zhuǎn)。

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(chǎn)生不同的反電動勢 (BEMF) 反應(yīng)。

無刷直流電機（BLDC）反電動勢反應(yīng)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(yīng)根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)生反電動勢。如果將載流導(dǎo)體放入磁場中或者該導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動，導(dǎo)體中就會感應(yīng)或產(chǎn)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(chǎn)生的電動勢被稱為反電動勢，因為電機中產(chǎn)生的電動勢與發(fā)電機中產(chǎn)生的電動勢相反。

磁場定向控制 ?

若要實現(xiàn)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(shù)。一個正交分量定義定子產(chǎn)生的磁通量，而另一個則對應(yīng)于電機速度定義的扭矩，由轉(zhuǎn)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(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)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(fù)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(yōu)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(yōu)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(jié)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(yīng)用中。它們使用嵌入電機定子的霍爾傳感器。該傳感器本質(zhì)上是一個開關(guān)，其數(shù)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(zhuǎn)子位置，確定哪個扇區(qū)（例如磁場極性）需要激勵，并確定何時應(yīng)用激勵方案。

最近，利用越來越多的位置點來提供轉(zhuǎn)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(yīng)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(tǒng)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(tài)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如何，控制這些機器均需要了解轉(zhuǎn)子的位置，這樣才能使電機進行有效換向。如果轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場是通過與定子的永磁體的相互作用產(chǎn)生的，系統(tǒng)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(zhuǎn)子位置，而其他一些電機不帶傳感器，從數(shù)學(xué)模型（無傳感器算法）得出轉(zhuǎn)子位置。

無傳感器算法的一個缺點在啟動時出現(xiàn)，此時電機速度為 0。因為反電動勢與電機速度成正比，當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)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(fēng)扇、冰箱壓縮機、空調(diào)以及許多園藝工具等低成本、變速電機應(yīng)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(yīng)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(jié)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(fù)雜。機器人技術(shù)和伺服應(yīng)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(dāng)今許多集成電機控制和驅(qū)動設(shè)備都非常復(fù)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(zhuǎn)移到數(shù)字域的模數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)免受過電流的影響。它們利用可編程數(shù)模轉(zhuǎn)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(xiàn)在，無需使用分立組件來實現(xiàn)所有這些功能，而是可以將這些模塊集成到單個設(shè)備中。這樣做可確保為所有應(yīng)用提供緊湊的解決方案。產(chǎn)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(tǒng) (SOC)。

如圖 2-3 所示，微處理器內(nèi)核具有模擬前端、電源驅(qū)動、電源管理、脈寬調(diào)制 (PWM) 發(fā)生器以及序列驅(qū)動數(shù)據(jù)采集功能。電源管理器還處理一些系統(tǒng)功能，其中包括內(nèi)部基準生成、定時器、休眠模式管理以及電源和溫度監(jiān)控。

3.電機控制算法

簡介：消費者要求其家用電器、園藝工具和電機驅(qū)動產(chǎn)品動力更強、外形更小、效率更高。像很多消費類電子產(chǎn)品一樣，消費者也期望這些產(chǎn)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(yōu)化、高度集成的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)備。當(dāng)今的 SOC 設(shè)備是完全可編程的電機控制器，可提供高效、結(jié)構(gòu)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(guān)于這些 SOC 如何提高效率以及在何處使用的寶貴信息。

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(lǐng)域的一些實際范例。

算法是一組為執(zhí)行特定任務(wù)而設(shè)計的指令。計算機程序本質(zhì)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(jiān)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(zhuǎn)子位置檢測

檢查開關(guān)信號是增加電流基準還是減少電流基準

檢查電機旋轉(zhuǎn)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(dāng)它們的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)合并在一起時，會產(chǎn)生一個代表轉(zhuǎn)子位置的三位數(shù)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(tài)（從三相輸出得出的六種可能的電流狀態(tài)）。傳感器利用八個操作碼中的六個（1 到 6）生成三位數(shù)的數(shù)據(jù)輸出。該信息很有用，因為控制器可確定何時發(fā)出了非法操作碼（0 和 7），并根據(jù)合法操作碼（1 到 6）執(zhí)行動作。

閱讀圖 3-1 中的查找表的方法如下：

當(dāng)霍爾傳感器W、V、U等于操作碼1-0-1、操作碼5時，扇區(qū)0激勵。

當(dāng)霍爾傳感器W、V、U等于操作碼1-0-0、操作碼4時，扇區(qū)1激勵。

依此類推，可獲得其他各種可能的狀態(tài)。

各個霍爾傳感器都位于轉(zhuǎn)子上，因此每個轉(zhuǎn)子扇區(qū)都會出現(xiàn)一個變化狀態(tài)。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(fā)生變化，控制器就必須更改激勵方案以實現(xiàn)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(qū)命令激勵后，磁場移動至新位置，從而推動轉(zhuǎn)子。電機運行時，此過程不斷重復(fù)。

了解脈沖寬度調(diào)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(chǎn)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(diào)制（PWM）來改變電機速度。脈寬調(diào)制可精準控制電機速度和扭矩，從而實現(xiàn)變速。

寬調(diào)制（PWM）是具有恒定頻率的方波信號，如圖 3-2 所示。脈寬調(diào)制將逆變器直流電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)制后的有效電壓。例如，利用占空比為 0% 到100% 的脈寬調(diào)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(diào)節(jié)電機速度和扭矩。

脈寬調(diào)制開關(guān)頻率是電源開發(fā)階段必須牢記的重要設(shè)計因素。提高開關(guān)頻率會增加開關(guān)損耗，但可改善低電感電機中的電流穩(wěn)定度。降低開關(guān)頻率會增加電流紋波，電流紋波將轉(zhuǎn)化為扭矩紋波（例如振動）。應(yīng)用電壓和電機電感將引導(dǎo)設(shè)計人員選擇正確的脈寬調(diào)制開關(guān)頻率。根據(jù)經(jīng)驗，電壓或電流越高，所需要的開關(guān)頻率就越低。

持續(xù)改變脈寬調(diào)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(diào)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(yīng)用 ?

本節(jié)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(guān)鍵產(chǎn)品類型中的某些常見用途。

電動工具 ?

電池（尤其是經(jīng)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(lǐng)域迅速轉(zhuǎn)向無刷直流電機 /永磁同步電機。

傳統(tǒng)上，電動工具由通用交流 / 直流有刷電機、開關(guān)或電位計以及將其與電源插座連接的電線構(gòu)成。在將近一個世紀的時間里，人們利用這種方法設(shè)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(shù)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(shù)園藝工具也采用無傳感器算法。設(shè)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(xiàn)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(tǒng)的電動工具（如鉆孔機和鋸）是電力驅(qū)動，而園藝工具大多由燃氣內(nèi)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(xiàn)，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(lǐng)域的技術(shù)進步，它們的命運已發(fā)生逆轉(zhuǎn)！如今的園藝工具采用 40 伏到 80 伏電池技術(shù)，其性能與燃氣動力同類產(chǎn)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(yè)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(tǒng)上，所有這些電器都使用不需要專用驅(qū)動器 / 控制器的交流感應(yīng)電機。但是，隨著節(jié)電措施的出現(xiàn)以及用戶對某些家電變速的需求，交流感應(yīng)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(fēng)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(jié)能至關(guān)重要。與此同時，在家庭環(huán)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(xiàn)在的冰箱不僅更節(jié)能、更可靠，而且還更加安靜，在室內(nèi)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(shù)。

汽車行業(yè) ?

您所擁有的機器中，電機數(shù)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(fēng)扇、鼓風(fēng)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(qū)動和控制。

傳統(tǒng)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(dān)憂預(yù)示著一個注重節(jié)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(chǎn)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(jié)省相對較少的能源，但如果將其乘以每輛汽車中電機的數(shù)量以及全球大約有 14 億輛汽車這一實際數(shù)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(lǐng)域的十大重要事實和發(fā)展趨勢

01

由于技術(shù)進步，集成正在占領(lǐng)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(yīng)等電機拓撲結(jié)構(gòu)。

02

無刷直流電機/永磁同步電機在機械上具有相同的結(jié)構(gòu)，但定子繞組除外。它們的定子繞組采用的是不同的幾何結(jié)構(gòu)。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(yīng)用。

03

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(qū)動電機，因此比有刷電機更加高效可靠。

04

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(qū)使電機運行。

05

無刷直流電機和永磁同步電機的機械結(jié)構(gòu)很簡單。電機的非旋轉(zhuǎn)定子上有一個電磁繞組。轉(zhuǎn)子采用永磁體制成。定子可以在內(nèi)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(zhuǎn)子始終是移動(旋轉(zhuǎn))的部分。

06

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

07

有些無刷直流電機帶有傳感器，可幫助獲得轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。當(dāng)應(yīng)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。

08

如果無刷直流電機沒有用于獲取轉(zhuǎn)子位置的傳感器，則使用數(shù)學(xué)模型。這些數(shù)學(xué)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。

09

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(tǒng)優(yōu)勢。它們能夠利用電子換向方案驅(qū)動電機，從而可使能源效率提高 20% 到 30%。

10

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

審核編輯：黃飛

?