消費(fèi)者對(duì)功率、可靠性、功能性和性能的需求不斷上升，推動(dòng)著電子設(shè)備（包括剪草機(jī)、冰箱、真空吸塵器、汽車等）的快速發(fā)展。制造商希望實(shí)現(xiàn)全方位交付。電機(jī)控制在兌現(xiàn)這些承諾方面發(fā)揮著主要作用，而了解基本原理是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步。
不同的電機(jī)類型
當(dāng)今有幾種可用的電機(jī)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：有刷、無刷直流 (BLDC)、步進(jìn)和電感。BLDC 和永磁同步電機(jī) (PMSM) 是兩種最密切相關(guān)的無刷電機(jī)類型。
無刷電機(jī)無需使用電機(jī)電刷，因而廣泛用于當(dāng)今的許多應(yīng)用中。這些 BLDC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用換向邏輯來移動(dòng)轉(zhuǎn)子，從而提高電機(jī)的效率和可靠性。我們來詳細(xì)介紹一下。
了解 BLDC 和 PMSM 類型的電機(jī)
BLDC 和 PMSM 電機(jī)的工作原理與同步電機(jī)相同。轉(zhuǎn)子在每次換向時(shí)都會(huì)繼續(xù)跟隨定子轉(zhuǎn)動(dòng)，所以電機(jī)能夠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，這兩種直流電機(jī)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(shì) (BEMF) 響應(yīng)。BLDC BEFM 為梯形。PMSM 電機(jī)的 BEMF 則為正弦曲線形，因此線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(jī)（圖 1）在運(yùn)行時(shí)通過其繞組產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。在任何電機(jī)中，由于運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的 EMF 稱為反電動(dòng)勢(shì) (BEMF)，這是因?yàn)殡姍C(jī)中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)與發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相反。
圖 1：BLDC 和 PMSM 電機(jī)通常使用正弦波換向。
磁場定向控制說明
為實(shí)現(xiàn)控制 PMSM 電機(jī)的正弦波形，需要使用磁場定向控制 (FOC) 算法。FOC 通常用于最大限度地提高 PMSM 三相電機(jī)的效率。與 BLDC 的梯形控制器相比，PMSM 的正弦控制器更為復(fù)雜，成本也更高。然而，成本的增加也帶來了一些優(yōu)勢(shì)，如減少了電流波形中的噪聲和諧波。BLDC 的主要優(yōu)勢(shì)是更易于控制。最后，最好根據(jù)應(yīng)用需求來選擇電機(jī)。
帶傳感器和不帶傳感器的 BLDC 和 PMSM 電機(jī)
BLDC 和 PMSM 電機(jī)可帶傳感器，也可不帶傳感器。帶傳感器的電機(jī)（圖 2）適用于需要在負(fù)載條件下起動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用。這些電機(jī)使用霍爾傳感器，傳感器嵌入電極定子中。從本質(zhì)上說，傳感器就是一種開關(guān)，其數(shù)字輸出等同于檢測到的磁場極性。電機(jī)的每個(gè)相都需要使用一個(gè)單獨(dú)的霍爾傳感器。三相電機(jī)需要三個(gè)霍爾傳感器。不帶傳感器的電機(jī)需要將電機(jī)用作傳感器，采用算法來運(yùn)行。它們依賴于 BEMF 信息。通過對(duì) BEMF 進(jìn)行采樣，可推斷出轉(zhuǎn)子的位置，從而無需使用基于硬件的傳感器。無論電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，控制這些電機(jī)需要了解轉(zhuǎn)子位置，這樣電機(jī)才能有效換向。
圖 2：BLDC 和 PMSM 電機(jī)示意圖。
電機(jī)控制軟件算法
如今，計(jì)算機(jī)程序之類的軟件算法（為執(zhí)行具體任務(wù)而設(shè)計(jì)的一組指令）開始用于控制 BLDC 和 PMSM 電機(jī)。這些軟件算法通過監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行來提高電機(jī)效率，降低運(yùn)行成本。算法中的一些主要功能包括電機(jī)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(zhǔn)的開關(guān)信號(hào)檢查。
控制器如何處理電機(jī)傳感器信息
三相 BLDC 電機(jī)具有 6 種狀態(tài)。如圖 3 所示，三位代碼可表示 1 至 6 之間的操作碼編號(hào)。傳感器用于通過 8 個(gè)操作碼中的 6 個(gè)操作碼（1 至 6）提供三位數(shù)據(jù)輸出。該信息非常有用，因?yàn)榭刂破骺纱_定何時(shí)發(fā)出了非法操作碼，并根據(jù)合法操作碼（1 至 6）執(zhí)行操作。算法獲取霍爾傳感器操作碼，并對(duì)其進(jìn)行解碼。當(dāng)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(xiàn)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(qū)命令給三相逆變器送電后，磁場轉(zhuǎn)移至新位置，同時(shí)推動(dòng)著轉(zhuǎn)子沿著移動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)不斷重復(fù)此過程。
圖 3：三位代碼可用于表示 1 至 6 之間的操作碼編號(hào)。
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