除了電動(dòng)汽車(chē) (EV) 用于推進(jìn)的多千瓦交流牽引電機(jī)外，還有許多其他輔助電機(jī)需要高效、精確、安靜和可靠地驅(qū)動(dòng)。然而，許多供應(yīng)商習(xí)慣于皮帶驅(qū)動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還有一些供應(yīng)商正在考慮將這些輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)引入內(nèi)部。

然而，事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單：驅(qū)動(dòng)這些電機(jī)需要?jiǎng)?chuàng)新的電機(jī)位置傳感和驅(qū)動(dòng)算法方法，以及對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和組件的謹(jǐn)慎選擇（圖 1）。

圖 1：EV 電機(jī)需要?jiǎng)?chuàng)新的電機(jī)位置傳感和驅(qū)動(dòng)算法方法，以及驅(qū)動(dòng)電路和組件的仔細(xì)選擇。

輔助電機(jī)用于在車(chē)輛中運(yùn)行輔助功能，并且在歷史上已經(jīng)通過(guò)來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)或液壓系統(tǒng)的能量從皮帶上驅(qū)動(dòng)。但在現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)中，交流壓縮機(jī)、流體泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、渦輪增壓器，甚至是農(nóng)用設(shè)備或叉車(chē)上的專(zhuān)用工具都需要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)（圖 2）。這些應(yīng)用程序中的大多數(shù)在性質(zhì)上都非常相似。它們通常包括低壓總線（12、24 或 48 V）和中低電流（<5 A 至 50 A）。

圖 2：電動(dòng)汽車(chē)中的主電機(jī)往往受到所有關(guān)注，但還有許多其他輔助電機(jī)需要高效、精確、安靜和可靠地驅(qū)動(dòng)。

電機(jī)用于在不同負(fù)載下控制可變速度或轉(zhuǎn)矩。盡管出于歷史原因，有些人可能仍然使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行換向，但幾乎所有這些傳感器都用于不需要傳感器的應(yīng)用——如果開(kāi)發(fā)人員具有適當(dāng)?shù)挠布蛙浖?zhuān)業(yè)知識(shí)的話。

MOSFET：關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)組件

MOSFET 是用于為三相逆變器系統(tǒng)中電機(jī)的每一相供電的組件。由于 FET 寄生的高閾值電壓和大量電容（通常 >100 pF），必須使用驅(qū)動(dòng)器 IC（柵極驅(qū)動(dòng)器）來(lái)驅(qū)動(dòng) MOSFET 的柵極。用于輔助三相電機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)代柵極驅(qū)動(dòng)器集成了許多對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和性能很重要的特性。這些基于保護(hù)、可配置性、材料構(gòu)建/電路板尺寸減小和電機(jī)控制性能。

由于 MOSFET 是為三相供電的關(guān)鍵組件，因此它們是最需要保護(hù)的。當(dāng)今可用的行業(yè)領(lǐng)先的柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)通過(guò)集成 Vds 和 Vgs 監(jiān)控外部 FET、片上熱測(cè)量、用于監(jiān)控電流的集成分流放大器、電源監(jiān)控來(lái)為整個(gè)系統(tǒng)提供多層保護(hù)。和過(guò)電壓和擊穿保護(hù)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形注意事項(xiàng)

三相逆變器的開(kāi)關(guān)需要由數(shù)字邏輯控制，通常是可編程微控制器 (MCU)，以調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩或速度，同時(shí)最大限度地提高效率。在電機(jī)上使用霍爾效應(yīng)傳感器可以相當(dāng)簡(jiǎn)單地使用六步（梯形）換向控制技術(shù)控制無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)，但數(shù)字邏輯資源有限，例如非常小的 MCU 甚至是硬編碼的 ASIC .

這種六步方法在扭矩效率低下存在一些限制：

六步梯形開(kāi)關(guān)僅在六個(gè)方向中的一個(gè)方向上產(chǎn)生定子磁場(chǎng)，而如果定子磁場(chǎng)可以在與不斷移動(dòng)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的特定同步方向上產(chǎn)生，則電機(jī)效率將最大化。

這六種狀態(tài)之間的切換會(huì)導(dǎo)致電機(jī)扭矩的波動(dòng)——瞬間降低，然后進(jìn)行校正。這會(huì)影響速度控制的質(zhì)量并影響可聽(tīng)噪聲。

動(dòng)態(tài)性能（調(diào)整扭矩產(chǎn)生以滿(mǎn)足瞬時(shí)負(fù)載要求的能力）會(huì)受到影響。

電機(jī)纏繞以產(chǎn)生正弦反電動(dòng)勢(shì)電壓的效率進(jìn)一步降低；當(dāng)使用正弦波而不是方波驅(qū)動(dòng)時(shí)，大多數(shù)電機(jī)運(yùn)行效率更高。

對(duì)于非常簡(jiǎn)單的 EV 電機(jī)應(yīng)用，BLDC 方法可能就足夠了。但對(duì)于其他人來(lái)說(shuō)，這些限制可能會(huì)很?chē)?yán)重。一種對(duì)大多數(shù)此類(lèi)電機(jī)效果更好的方法稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制 (FOC)。在 FOC 中，產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向并同步，從而最大限度地產(chǎn)生扭矩。定子狀態(tài)之間的過(guò)渡是平滑的，消除了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。電機(jī)相位看到的電壓是正弦曲線，從而提高了效率。FOC 并不比六步 BLDC 復(fù)雜得多。它測(cè)量至少兩個(gè)相電流而不是一個(gè)總線電流，它進(jìn)行額外的數(shù)學(xué)計(jì)算，采用額外的比例積分 (PI) 控制器，并為脈寬調(diào)制 (PWM) 生成進(jìn)行了更多計(jì)算。

但是，存在轉(zhuǎn)子傳感器的問(wèn)題。六步 BLDC 中使用的霍爾傳感器無(wú)法為 FOC 提供足夠的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定位精度。此外，霍爾傳感器由于其低可靠性和高系統(tǒng)故障率而具有更多的前期和生命周期成本。此外，由于機(jī)械限制，某些應(yīng)用根本無(wú)法使用霍爾傳感器。

一種解決方案可能是使用不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)子磁傳感器。用于高精度伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字編碼器和用于 EV 推進(jìn)電機(jī)的模擬旋轉(zhuǎn)變壓器都具有 FOC 所需的分辨率。然而，與簡(jiǎn)單的霍爾傳感器相比，它們既昂貴又不實(shí)用?；蛘?，由于機(jī)械限制，它們無(wú)法安裝。唯一的解決方案是無(wú)傳感器 FOC。

無(wú)傳感器 FOC 實(shí)用化

無(wú)傳感器 FOC 依靠軟件算法根據(jù)逆變器中的電流和/或電壓來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置。無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)器的理論化、開(kāi)發(fā)和使用已超過(guò) 25 年，但其實(shí)際實(shí)施僅限于那些在開(kāi)發(fā)所需專(zhuān)業(yè)知識(shí)方面進(jìn)行大量投資的公司。這些公司在交流驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)電機(jī)控制、一些先進(jìn)的電器和汽車(chē)領(lǐng)域擁有強(qiáng)大的背景。這種專(zhuān)業(yè)知識(shí)一直是先決條件，因?yàn)樗惴ê涂刂破髡{(diào)整很難在真實(shí)世界條件下的真實(shí)環(huán)境中工作。

InstaSPIN-FOC 是一種在 EV 及其他領(lǐng)域擴(kuò)大無(wú)傳感器 FOC 采用的獨(dú)特方法。這采用了一種創(chuàng)新的自調(diào)整算法，可立即為任何三相電機(jī)提供強(qiáng)大的無(wú)傳感器 FOC。

這種電機(jī)控制技術(shù)使 EV 設(shè)計(jì)人員——即使是那些電機(jī)控制經(jīng)驗(yàn)有限的設(shè)計(jì)人員——能夠在他們的 EV 應(yīng)用中識(shí)別、調(diào)整和完全控制任何類(lèi)型的三相、變速、無(wú)傳感器、同步或異步電機(jī)控制系統(tǒng)。分鐘。

結(jié)論

EV 的主推進(jìn)電機(jī)與各種輔助電機(jī)相輔相成，這些輔助電機(jī)需要高效、低成本、小尺寸的驅(qū)動(dòng)方案，并注重可靠性、噪音和精度。這推動(dòng)了高級(jí)算法的發(fā)展，以克服經(jīng)典 BLDC 電機(jī)的一些限制。因此，無(wú)傳感器 FOC 正在成為滿(mǎn)足 EV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求的解決方案，但它需要很容易被仍然從皮帶或液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移的供應(yīng)商所適應(yīng)。

審核編輯：湯梓紅