數十年來，大多數電機控製應用都依賴於可為其實現低成本與實施簡便性的通用有刷 DC 與步進電機。不過，隨著微處理器 (MCU) 架構的不斷創新與集成度的不斷提高，當今開發人員能夠采用更先進與更智能的電機類型與控製機製，以極低的成本提高電機的精度
、性能、dianyuanxiaolvheshiyongyixiliezhuangtaijianhuakongzhifuzaxing。suozhichidezhuangtaiyueduo，duiweizhidekongzhijingquedujiuyuegao

，danzhetongshiyeyiweizhexuyaogengfuzadechuliguochengshouming。

1.高級電機類型

AC 電感 (ACI) 電機能很好地滿足各種不同高性能應用的需求，其中包括白色家電
、泵、風扇以及壓縮機等(如冰箱和 HVAC 係統)。由於電機的內部定子和轉子由可變電流控製且以不同的速度旋轉，因而 ACI 電機采“持續”的控製方案來提高定位精度。

PMSM 可實現低噪聲工作和最小轉矩，理想適用於需要高精度位置控製、超高速度和/或極高轉矩的應用用異步工作模式。ACI 擁有優異的速度與扭矩控製，能夠以較低的成本實現卓越的穩健性，且在高速情況下具有出色的效率。ACI 的主要劣勢在於其需要複雜的反饋和控製機製，才能避免速度變化和較低速度時的效率不受影響。

無刷 DC (BLDC) 電dian機ji采cai用yong同tong步bu工gong作zuo模mo式shi，可ke通tong過guo可ke變bian電dian流liu控kong製zhi定ding子zi磁ci通tong量liang，而er定ding子zi磁ci通tong量liang則ze由you永yong磁ci線xian圈quan或huo電dian流liu饋kui電dian線xian圈quan保bao持chi為wei常chang量liang。同tong步bu控kong製zhi能neng夠gou提ti供gong非fei常chang高gao的de位wei置zhi精jing度du
，以yi及ji更geng高gao的de電dian源yuan效xiao率lv(也就是說，由於磁鐵固有的磁通量，因而驅動電機所需的電流可以降低)。

BLDC 電機采用一係列狀態(參見圖 1)對位置進行控製。所支持的狀態越多

，對位置的控製精確度就越高
，但這同時也意味著需要更複雜的處理過程。由於 BLDC 為無刷操作，因而理想適用於維護和磨損對總擁有成本影響較大的應用領域。

BLDC 是發展速度最快的一種電機類型，能針對中高扭矩實現高效可靠的操作，具有高功率密度和可用於易燃環境等特性，非常適用於自動化
、牽引、精密設備和白色家電等應用。由於 BLDC 采用簡單的換向技術，因而這種係統複雜度較低
、重量較輕
，有助於實現小尺寸、高效率、低成本等優異特性
，而且在變速及低速情況下均能實現出色性能。

永磁同步電機 (PMSM) 與 BLDC 電機的不同之處在於采用了“持續”的控製方案(參見圖 2)。也就是說，PMSM 可實現低噪聲工作、最zui小xiao的de換huan向xiang轉zhuan矩ju紋wen波bo，且qie能neng與yu低di成cheng本ben的de分fen布bu繞rao組zu協xie同tong配pei合he。其qi可ke支zhi持chi更geng高gao的de最zui高gao可ke達da速su度du和he更geng高gao的de效xiao率lv與yu轉zhuan矩ju，因yin此ci非fei常chang適shi用yong於yu需xu要yao高gao精jing度du位wei置zhi控kong製zhi
、超高速度和/或極高轉矩的應用
，例如牽引、高精度自動化(機器人)以及混合動力/電動汽車等。


2.智能控製機製

對於如何控製不同類型的電機而言，開發人員有許多選擇
，具體取決於保持電機效率的工作範圍(如高/低速度
、高轉矩)以及需要多高的精度(如位置、速度、轉矩等)。每一種控製機製都在成本、電源效率
、精度和性能方麵擁有最佳的平衡點。

簡單的標量控製(也稱為 V/f 或單位頻率電壓)是一種用於驅動 ACI 電dian機ji的de流liu行xing方fang法fa
，因yin為wei這zhe種zhong方fang法fa實shi施shi起qi來lai簡jian單dan直zhi接jie，且qie其qi相xiang應ying的de處chu理li要yao求qiu也ye不bu高gao。可ke通tong過guo改gai變bian用yong於yu驅qu動dong電dian機ji的de正zheng弦xian波bo頻pin率lv來lai管guan理li速su度du，無wu需xu控kong製zhi電dian流liu或huo優you化hua轉zhuan矩ju。但dan是shi，簡jian單dan的de標biao量liang控kong製zhi在zai高gao速su和he低di速su情qing況kuang下xia轉zhuan矩ju效xiao率lv均jun較jiao低di，動dong態tai性xing能neng不bu佳jia
，對dui變bian化hua的de響xiang應ying遲chi緩huan，對dui設she置zhi點dian產chan生sheng過guo衝chong
，並bing在zai低di速su情qing況kuang下xia內nei部bu電dian源yuan損sun耗hao非fei常chang嚴yan重zhong。

磁場定向控製 (FOC) 相對於簡單標量控製而言，FOC是(shi)一(yi)種(zhong)智(zhi)能(neng)化(hua)程(cheng)度(du)更(geng)高(gao)的(de)控(kong)製(zhi)機(ji)製(zhi)，根(gen)據(ju)應(ying)用(yong)的(de)不(bu)同(tong)，其(qi)更(geng)高(gao)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)能(neng)實(shi)現(xian)相(xiang)對(dui)更(geng)出(chu)色(se)的(de)低(di)成(cheng)本(ben)性(xing)和(he)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)以(yi)及(ji)更(geng)高(gao)的(de)精(jing)度(du)和(he)性(xing)能(neng)。此(ci)外(wai)
，FOC 也稱為矢量控製

，能在整個轉矩和速度範圍內實現對 ACI 和 PMSM 電機(表 1)的最佳控製。

FOC 不(bu)僅(jin)能(neng)在(zai)最(zui)小(xiao)化(hua)轉(zhuan)矩(ju)紋(wen)波(bo)的(de)同(tong)時(shi)提(ti)升(sheng)起(qi)始(shi)轉(zhuan)矩(ju)
，而(er)且(qie)還(hai)能(neng)有(you)效(xiao)支(zhi)持(chi)所(suo)有(you)速(su)度(du)的(de)最(zui)大(da)轉(zhuan)矩(ju)。其(qi)可(ke)對(dui)變(bian)化(hua)進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)並(bing)能(neng)在(zai)滿(man)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)保(bao)持(chi)零(ling)速(su)，從(cong)而(er)可(ke)在(zai)整(zheng)個(ge)電(dian)機(ji)速(su)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)確(que)保(bao)性(xing)能(neng)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)。由(you)於(yu) FOC 采用電流控製模式
，因而開發人員可根據特定應用來相應優化電源轉換器電路和電機大小。

梯形與正弦控製是 BLDC 電機控製兩種最主要的選擇。由於梯形控製比較簡單且成本較低，因而傳統上一直屬於首選方法。但是，為了實現更順暢的操作、更geng及ji時shi的de轉zhuan矩ju響xiang應ying性xing以yi及ji更geng低di的de電dian氣qi噪zao聲sheng，現xian在zai許xu多duo開kai發fa人ren員yuan開kai始shi轉zhuan而er采cai用yong正zheng弦xian控kong製zhi方fang法fa。這zhe不bu僅jin能neng提ti高gao性xing能neng和he效xiao率lv
，還hai能neng配pei合he分fen布bu繞rao組zu工gong作zuo
，且qie在zai較jiao高gao速su度du條tiao件jian下xia也ye能neng表biao現xian出chu更geng強qiang大da的de控kong製zhi能neng力li，從cong而er有you助zhu於yu OEM 廠商實現出色的係統差異化。例如，梯形控製法的 EMI(電磁幹擾)較高，會造成電機係統不穩定
，從而顯著影響性能，同時還會加大人耳可覺察的幹擾噪音。
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3.反饋

高級控製機製的更高性能和複雜性從一定程度而言都與反饋環路的使用有關。反饋環路可對速度、位置/角度、電流、磁通量以及轉矩進行調節。FOC 需要測量速度以及轉子與定子之間的角度。梯形和正弦控製則需要測量速度
、位置和電流。

開發人員既能夠采用傳感器也能夠采用無傳感器方案來實施反饋。就采用 ACI 電機的應用而言，可使用測速計直接測量速度。采用 PMSM deshejifanganzekeshiyongbianmaqihuofenjieqiduiweizhijinxinggenzong，tongshiketongguoceliangyidingshijianneideweizhibianhualaijisuansudu。chuanganqiqueshihuizengjiaxitongdechengbenhezujianshuliang，danduigaojingduxitonglaishuowangwangshibixude。

對於無傳感器的方案而言
，需要通過滑模 (Sliding Mode) 和模型參考自適應係統 (MRAS) 等“狀態觀察器”根據實時電流與電壓的測量結果對電機的速度和角度進行建模(也就是進行估算)。這種方法的益處是電流和電壓傳感器比位置傳感器(采用單個 DC 分流就能以低成本的方式對電流進行可靠的測量)便宜得多，但實施數學電機建模工作會占用係統微處理器一定量的 MIPS 資源。


4.集成型電機控製

當前片上係統集成的發展趨勢改變了開發人員實施電機控製的方式。現在，支持智能控製機製實施的 MCU 成本還不足 2 美元
，即便對大量低成本應用而言也足以接受
，有助於提升性能、效率和精度。舉例來說，德州儀器 (TI) 的低成本 C2000 Piccolo MCU 可在單顆芯片上控製兩個電機，同時仍能為功率因數校正 (PFC) 等其他高價值特性預留足夠的性能空間。此外，這種微處理器還集成了眾多基於硬件的特性，能夠進一步提升性能和效率。

1）加速器：基於硬件的處理能將主 MCU 解放出來，進而加快計算速度並簡化整體設計;例如，控製律加速器 (CLA) 能完全承擔起整個閉環 FOC 係統的處理任務;除(chu)了(le)可(ke)提(ti)升(sheng)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)的(de)精(jing)度(du)之(zhi)外(wai)，加(jia)速(su)器(qi)還(hai)能(neng)提(ti)供(gong)更(geng)多(duo)的(de)處(chu)理(li)預(yu)留(liu)性(xing)能(neng)空(kong)間(jian)，使(shi)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)抽(chou)象(xiang)來(lai)簡(jian)化(hua)設(she)計(ji)，實(shi)施(shi)更(geng)高(gao)級(ji)的(de)算(suan)法(fa)和(he)/或采用成本更低的 MCU。

2）電機控製專用外設：MCU 上的集成外設不僅能降低係統成本
、提高係統精度，而且還能加速設計進程;例如，高分辨率和已同步的 ADC 能讓 MCU 通過 CPU 獲取來實現 ADC 采樣同步，以執行時延極低的高準確度電流測量;基於硬件的可編程 PWM 配合增強型特性不僅能優化性能，還能提升效率，並確保 ADC 采樣不與 PWM 切換同時發生;最後，諸如 CAP/QEP 傳感器接口等集成型接口能夠顯著簡化設計工作、減少組件數
，並降低係統成本。

3）實時調試支持：電機控製應用麵臨的一個特殊挑戰
，就是要在電機不間斷運行的情況下，持續提供中斷的同時進行係統調試;為了實現這一目標，需要讓基於硬件的實時調試電路係統幫助開發人員以非侵入式的方式直接存取內部微處理器資源;此外
，基於硬件的調試還可對已部署的係統進行現場故障排除。
加速開發進程

獲(huo)得(de)設(she)計(ji)與(yu)調(tiao)試(shi)所(suo)需(xu)的(de)軟(ruan)硬(ying)件(jian)是(shi)最(zui)大(da)限(xian)度(du)加(jia)速(su)開(kai)發(fa)進(jin)程(cheng)的(de)關(guan)鍵(jian)。比(bi)方(fang)說(shuo)，通(tong)用(yong)硬(ying)件(jian)平(ping)台(tai)能(neng)幫(bang)助(zhu)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)實(shi)現(xian)設(she)計(ji)的(de)可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)，能(neng)針(zhen)對(dui)不(bu)同(tong)應(ying)用(yong)實(shi)現(xian)軟(ruan)件(jian)的(de)重(zhong)複(fu)使(shi)用(yong)，如(ru)從(cong)簡(jian)單(dan)的(de)電(dian)機(ji)應(ying)用(yong)直(zhi)到(dao)高(gao)端(duan)的(de)高(gao)精(jing)度(du)應(ying)用(yong)等(deng)。此(ci)外(wai)，提(ti)供(gong)豐(feng)富(fu)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)庫(ku)的(de)可(ke)視(shi)開(kai)發(fa)工(gong)具(ju)也(ye)能(neng)進(jin)一(yi)步(bu)擴(kuo)展(zhan)平(ping)台(tai)的(de)價(jia)值(zhi)
，使(shi)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)將(jiang)現(xian)有(you)框(kuang)架(jia)進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)調(tiao)諧(xie)以(yi)適(shi)用(yong)於(yu)特(te)定(ding)的(de)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)
，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)高(gao)級(ji)別(bie)的(de)功(gong)能(neng)。

可視開發工具使開發人員能夠將現有框架進行快速調諧以適用於特定應用
，從而實現高級別的設計。例如雙通道無傳感器 FOC 式 PMSM 係統的增量構建。在這一點上，開發人員能夠確認目標獨立的模塊、占空比以及 PWM 更新。此外，對電機表現建模的功能還可幫助開發人員在電機斷連時確認 PWM 操作
，從而可避免意外熔斷。

開發人員通常可通過采用定點 MCU 來降低係統成本，不過代價是要手動管理數學精度與分辨率問題。采用諸如 TI IQMath 等庫抽象化算法設計，算法代碼可在 MCU 以及應用
、控製機製與電機類型之間進行移植。

此外，抽象性還可簡化第三方電機控製軟件與開發平台(如 Mathworks 的 Embedded Target 與 Visual Solutions 的 VisSim 等)之間的集成
，促進代碼重複使用，而且即便在浮點與定點 MCU 之間也可實現代碼的“上下”移動。

專為電機控製應用設計的高集成 MCU 的推出使開發人員不僅能夠降低現有係統成本，而且還可采用更智能的控製機製提高係統性能
、jingduyijixiaolv。kaifarenyuantongguolejieqikeshiyongdebutongdianjileixingyukongzhifangfa，jiukexuanzeshidangdefangfayukongzhizhinengshuipinglaigoujianyiyukuozhandegaowenjianxitong，gaixitongbudanzhichigezhongzengzhitexing，erqiehaikechongfenliyongchangqidedaimatouzi。

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