簡介：消費者要求其家用電器、園藝工具和電機驅動產品動力更強、外形更小、效率更高。像很多消費類電子產品一樣，消費者也期望這些產品成本更低、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）設備。當今的 SOC 設備是完全可編程的電機控制器，可提供高效、結構緊湊的解決方案，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。

本書是針對技術和非技術類讀者而編寫的。如果您是行政人員、銷售員或設計工程師，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。在前兩章《電機科普系列丨直流電機控制器基礎》和《電機科普系列丨了解電機控制裝置》里，我們對其進行了基本的科普，今天的報道我們將深入探討一下電機控制算法。

本章中，您將了解電機控制算法及其工作原理，還將了解各領域的一些實際范例。

算法是一組為執(zhí)行特定任務而設計的指令。計算機程序本質上是多組算法。

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

霍爾傳感器轉子位置檢測

檢查開關信號是增加電流基準還是減少電流基準

檢查電機旋轉方向

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）。當它們的數字輸出數據合并在一起時，會產生一個代表轉子位置的三位數字。

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）生成三位數的數據輸出。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子上，因此每個轉子扇區(qū)都會出現一個變化狀態(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，從而推動轉子。電機運行時，此過程不斷重復。

了解脈沖寬度調制

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制（PWM）來改變電機速度。脈寬調制可精準控制電機速度和扭矩，從而實現變速。

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

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

持續(xù)改變脈寬調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鍵產品類型中的某些常見用途。

電動工具

電池（尤其是經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域迅速轉向無刷直流電機 /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、開關或電位計以及將其與電源插座連接的電線構成。在將近一個世紀的時間里，人們利用這種方法設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園藝工具也采用無傳感器算法。設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）是電力驅動，而園藝工具大多由燃氣內燃機提供動力，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，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域的技術進步，它們的命運已發(fā)生逆轉！如今的園藝工具采用 40 伏到 80 伏電池技術，其性能與燃氣動力同類產品的性能一樣出色。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動器 / 控制器的交流感應電機。但是，隨著節(jié)電措施的出現以及用戶對某些家電變速的需求，交流感應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，現在的冰箱不僅更節(jié)能、更可靠，而且還更加安靜，在室內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。

汽車行業(yè)

您所擁有的機器中，電機數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、風扇、鼓風機等等。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憂預示著一個注重節(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量以及全球大約有 14 億輛汽車這一實際數字，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。

原文標題：電機科普系列丨了解電機控制算法

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責任編輯：haq