意法半導(dǎo)體:三相電機控制解決方案 - 全文

意法半導(dǎo)體擁有強大的、面向電機控制應(yīng)用的產(chǎn)品組合。運轉(zhuǎn)順暢和高效率推動了電機控制的發(fā)展。面向PMSM、PMAC和感應(yīng)電機（其采用高性能微控制器、功率晶體管與高壓柵極驅(qū)動器IC）的磁場定向控制（FOC）軟件的發(fā)展?jié)M足了對更高效率的需求。對于功率較低的應(yīng)用而言，面向步進電機的新型高集成度控制器/驅(qū)動器IC可以為步進電機實現(xiàn)更順暢的運轉(zhuǎn)和更高的定位精度。

三相AC感應(yīng)電機

三相感應(yīng)電機屬于無刷電機。定子是銅線繞組，轉(zhuǎn)子通常是一個鋁制鼠籠。典型的驅(qū)動器配置是1個三相橋（3個半橋），可以為定子提供3個正弦波電壓。該驅(qū)動器通常用于功率較高的應(yīng)用，一般由1個帶有高壓柵極驅(qū)動器的分立式IGBT，或者整合了3個半橋和相關(guān)柵極驅(qū)動級的功率模塊組成。在控制逆變器的微控制器內(nèi)實現(xiàn)了磁場定向控制或標(biāo)量（伏特/赫茲）控制算法。

三相感應(yīng)電機矢量驅(qū)動器（FOC）

矢量控制（亦即磁場定向控制，F(xiàn)OC）是可變頻率驅(qū)動器使用的一種方法，用于控制三相AC電機的扭矩和速度。特別地，這種方法意味著要測量電機電流，然后將其轉(zhuǎn)換到與機器的轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系內(nèi)。為了完成這種參考幀轉(zhuǎn)換，必須直接測量（通過實際的速度/位置傳感器）或者間接估計（無傳感器法）轉(zhuǎn)子位置。

矢量控制需要HW外設(shè)方可完成這項任務(wù)和比標(biāo)量控制更密集的計算，另一方面它實現(xiàn)了更好的動態(tài)響應(yīng)（例如加載速度控制方面的變化）、更準(zhǔn)確的機械扭矩調(diào)節(jié)和更安靜的操作。

通常，低成本32位微控制器就可以處理這種驅(qū)動器。

標(biāo)量控制電壓頻率比驅(qū)動器

在標(biāo)量驅(qū)動器內(nèi)，一般只控制頻率和施加在電機上的電壓（并不要求控制電流反饋）。

特別是對于Φ感應(yīng)電機而言，標(biāo)量驅(qū)動器通常控制開/閉速度環(huán)內(nèi)的電壓-頻率（V/F）之比（只有在后面這種情況下才必須控制電機速度反饋）。如果知道電機速度信息，則可另外實現(xiàn)滑動調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化電機效率。

雖然簡單（可以由8位和32位微控制器執(zhí)行），但是V/f控制就能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求了。

無刷DC（三相BLDC）電機

無刷DC電機的轉(zhuǎn)子上附有永磁體，而定子上則有外部換向線圈。電子換向取代了DC電機內(nèi)電刷的功能，通常根據(jù)感應(yīng)到的轉(zhuǎn)子位置來驅(qū)動定子線圈。無刷DC電機的主要優(yōu)勢在于它固有的高效率和高可靠性。由于設(shè)計者迫切需要提高系統(tǒng)效率，所以這些電機變得越來越常見了。典型配置為1個由3個半橋驅(qū)動的三相電機。在低功耗應(yīng)用中，驅(qū)動器可被集成到智能功率IC內(nèi)。對于功率更高的應(yīng)用而言，分立式IGBT和高壓柵極驅(qū)動器IC可用于半橋。對于很多應(yīng)用而言，無傳感器驅(qū)動器消除了對過去使用的霍爾效應(yīng)傳感器的需求。通常利用低端微控制器實現(xiàn)六步換向和速度控制。

BLDC標(biāo)量控制驅(qū)動器

在標(biāo)量驅(qū)動器內(nèi)，一般只控制頻率和施加在電機上的電壓（并不要求控制電流反饋）。

對于永磁3Φ電機（BLDC和PMSM）而言，需要獲取轉(zhuǎn)子速度和/或位置信息方可讓定子和轉(zhuǎn)子磁通位置保持同步。在不使用物理傳感器（霍爾傳感器、編碼器等）提取轉(zhuǎn)子速度/位置信息的情況下，驅(qū)動器就被視為“無傳感器”驅(qū)動器。

由于利用這種驅(qū)動器很容易實現(xiàn)電機的無傳感器控制，所以六步波驅(qū)動器（亦即塊變換）就成了最常見的、面向PMSM和BLDC的標(biāo)量驅(qū)動器。并且，在六步波驅(qū)動器內(nèi)，可以在電流模式下控制電機電流值，從而實現(xiàn)電機扭矩調(diào)節(jié)。

由于標(biāo)量驅(qū)動器無需密集的數(shù)學(xué)計算，所以能夠利用低成本微控制器（從8位微控制器開始）實現(xiàn)。

BLDC矢量控制器（FOC）

為使電機以最佳效率運轉(zhuǎn)，定子磁通必須與轉(zhuǎn)子同步運轉(zhuǎn)，并且理論上定子與轉(zhuǎn)子磁通之間應(yīng)保持90°相移。當(dāng)定子繞組集中到窄相帶，每個電機轉(zhuǎn)子繞組相感應(yīng)的反電動勢電壓可按梯形波形相當(dāng)精確地建模時，這種電機為 BLDC 電機，即無刷直流電機。由于反電動勢波形的特點，BLDC 電機特別適合采用六步開關(guān)電流波形激勵生成接近恒定的輸出扭矩。不過，如果應(yīng)用能夠承受輕微機械扭矩波動，也可以采用正弦波電流驅(qū)動。從這一因素考慮并在其限定的范圍內(nèi)，BLDC 電機也可以具備磁場定向控制的優(yōu)點（可靠、低噪聲、起動和低速扭矩大）。

無刷AC（三相PMSM）電機

無刷AC電機，亦即永磁同步電機（PMSM）或永磁AC電機（PMAC），其轉(zhuǎn)子上附有永磁體，而定子上則有外部換向線圈。它們不同于無刷DC電機，主要是因為定子線圈由正弦波驅(qū)動。無刷AC電機的主要優(yōu)勢在于它固有的高效率、運轉(zhuǎn)順暢和高可靠性。典型配置為1個由3個半橋驅(qū)動的三相電機。在低功耗應(yīng)用中，驅(qū)動器可被集成到智能功率IC內(nèi)。對于功率更高的應(yīng)用而言，分立式MOS或IGBT和高壓柵極驅(qū)動器IC可用于半橋。對于很多應(yīng)用而言，無傳感器磁場定向控制（FOC）驅(qū)動器消除了對過去使用的編碼器的需求。可以利用低成本32位微控制器輕松實現(xiàn)正弦波驅(qū)動和FOC算法。

PMSM標(biāo)量控制驅(qū)動器

定子繞組呈正弦分布且磁鐵通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在每個電機相內(nèi)產(chǎn)生正弦反電動勢波形的電機為永磁同步電機（PMSM）或正弦波永磁同步電機或永磁交流電機（PMAC）。

由于具備反電動勢波形的特點，所以專門對正弦波PMSM電機進行了優(yōu)化，從而能夠在利用三相正弦電流波形進行激勵時生成接近恒定的輸出扭矩。為避免給出基于電流頻率的高電壓值，可采用V/F極限曲線來確定給定子頻率下的最大電壓值。

PMSM矢量控制器（FOC）

矢量控制（亦即磁場定向控制，F(xiàn)OC）是可變頻率驅(qū)動器使用的一種方法，用于控制三相AC電機的扭矩和速度。這種方法意味著要測量電機電流，然后將其轉(zhuǎn)換到與機器的轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系內(nèi)。為了完成這種參考幀轉(zhuǎn)換，必須直接測量（通過實際的速度/位置傳感器）或者間接估計（無傳感器法）轉(zhuǎn)子位置。

通常，低成本32位微控制器就可以處理這種驅(qū)動器。