中心議題：

• 磁場定向控製技術
• 無位置傳感器控製技術
• 變速驅動設計的HVIC技術
• 三相混合式多細分步進電機驅動器設計

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高gao效xiao節jie能neng是shi目mu前qian電dian子zi產chan品pin設she計ji總zong的de發fa展zhan趨qu勢shi，因yin此ci
，電dian子zi產chan品pin對dui驅qu動dong馬ma達da的de高gao效xiao率lv和he低di功gong耗hao提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu。在zai此ci要yao求qiu之zhi下xia
，馬ma達da的de控kong製zhi係xi統tong設she計ji以yi及ji驅qu動dong器qi設she計ji在zai小xiao型xing化hua
、高效率、低噪聲和更高的可靠性方麵有了更進一步的發展。本文介紹馬達控製技術（包括控製器和驅動器的設計技術）的最新進展，主要從磁場定向控製技術、無位置傳感器控製技術、HVIC驅動設計技術及三相混合式多細分電機驅動器設計技術的角度進行分析。

磁場定向控製提升性能和功效

磁場定向控製（Field-Oriented Control, FOC）, 有時也稱之為磁束矢量控製——是一種能夠使永磁同步電機（或無刷伺服電機）在zai整zheng個ge速su率lv範fan圍wei內nei獲huo得de最zui高gao性xing能neng的de方fang法fa。其qi特te點dian是shi通tong過guo坐zuo標biao變bian換huan技ji術shu把ba交jiao流liu電dian機ji的de定ding子zi電dian流liu分fen解jie為wei轉zhuan矩ju和he勵li磁ci分fen量liang，從cong而er實shi現xian象xiang直zhi流liu電dian機ji一yi樣yang控kong製zhi電dian機ji的de輸shu出chu轉zhuan矩ju和he磁ci通tong，使shi交jiao流liu電dian動dong機ji的de控kong製zhi的de動dong態tai指zhi標biao和he精jing度du大da大da提ti高gao。

磁場定向控製的總體流程如圖1所示：

圖1 磁場定向控製的總體流程

從控製原理上講
，磁場定向控製方法的電流環運行是獨立於電機旋轉的。在FOC方法中存在兩個實際的電流環
，一個用於Q軸轉矩，另一個用於D軸轉矩。Q軸轉矩電流環施以來自伺服控製器的用戶目標轉矩，D軸電流環則施以零輸進指令

，以便使不想要的直軸分量降至最低。

FOC的主要優勢有以下幾點：

• 可提供低速（低至0rpm）大力矩（小於0.5%的力矩波動）；
• 即使在高速時也保持高效率；
• 在電壓限製範圍內磁場弱化時可完全控製
• 力矩和電流響應時間小於0.2ms；
• 電流控製器帶寬大於2000Hz。

由(you)於(yu)磁(ci)場(chang)定(ding)向(xiang)控(kong)製(zhi)可(ke)為(wei)電(dian)機(ji)提(ti)供(gong)寬(kuan)泛(fan)的(de)可(ke)用(yong)速(su)度(du)範(fan)圍(wei)，該(gai)方(fang)法(fa)已(yi)成(cheng)為(wei)無(wu)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)的(de)一(yi)種(zhong)重(zhong)要(yao)驅(qu)動(dong)和(he)換(huan)相(xiang)方(fang)法(fa)，同(tong)樣(yang)也(ye)成(cheng)為(wei)交(jiao)流(liu)感(gan)應(ying)電(dian)機(ji)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)之(zhi)一(yi)。采(cai)用(yong)FOC方法的交流感應電機可以使電機運行效率進步到85%
，相比之下，不采用磁場定向方法卻隻有60%左右。另外，采用FOC方法的無刷直流電機甚至可以達到更高的效率
，即高達95%。
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無位置傳感器控製技術

在一些應用場合要求使用的電機體積小、效率高、zhuansugao
，weixingyongciwushuazhiliudianjinenggoujiaohaodimanzuyaoqiu。wushuazhiliudianjidewuweizhichuanganqikongzhidenandianzaiyuzhuanziweizhixinhaodejiance，muqianguoneiwaiyanjiurenyuantichulezhuduofangfa，qizhongfandiandongshifazuiweijiandan
、可靠，應用範圍最廣泛。

實現無刷直流電機電子換相及PWM控製的逆變器主電路如圖a所示。采用兩兩通電方式，即每一個瞬間有兩個功率管導通
，每隔60°電角度換相1次，每一功率管導通120°電角度。功率管的導通順序是：V6V1→V1V2→V2V3→V3V4→V4V5→V5V6。

圖2 逆變器主電路和點擊的反電動勢波形圖

無位置傳感器控製係統以C8051F330單片機、逆變橋電路、端電壓檢測電路、穩壓電路等組成。逆變橋電路中上橋臂為P型MOSFET器件FDS6679，下橋臂為N型MOSFET器件M4410B，均為低電壓驅動器件。FDS6679通過一個NPN型三極管驅動，而M4410B由C8051F330的P1口直接驅動(P1口設置成推挽輸出)。PWM控製模式定為：PWM僅應用於半橋的下端MOSFET
，同時換流的上端(對角線)MOSFET僅起換相通斷控製。

電源電壓和電流的檢測：當UV相通電
，在PWM開通期間檢測U相的端電壓Uu，由於MOSFET的通態電壓很小(小於0．1V)，端電壓uu可以近似看作是電源電壓UD；在下橋臂源極和電源地之間串接采樣電阻，通過P0．4口檢測電阻電壓得到電流值
，輸入信號先經過內部可編程增益放大器放大
，再作A／D轉換。

圖3 無位置傳感器控製係統的硬件電路圖

無刷直流電機的無位置傳感器控製
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變速驅動設計的HVIC技術

可變速電機驅動可以提高機器設備的能源效率
，最新的HVIC(高壓集成電路)技術使得大多數必需的反饋和保護器件可以製作在一個基片上，這樣就可以在範圍更大的市場和應用裏
，來實現成本低廉、結構緊湊的可變速驅動。

HVIC技ji術shu使shi得de位wei準zhun移yi動dong成cheng為wei可ke能neng，即ji感gan測ce一yi個ge漂piao移yi在zai大da的de普pu通tong模mo式shi電dian壓ya上shang的de小xiao差cha分fen電dian壓ya

，甚shen至zhi在zai快kuai速su瞬shun變bian的de時shi候hou。因yin此ci
，快kuai速su而er準zhun確que的de電dian流liu感gan測ce在zai電dian機ji的de相xiang位wei超chao前qian就jiu可ke實shi現xian，從cong而er可ke以yi減jian少shao硬ying件jian設she計ji和he信xin號hao處chu理li的de工gong作zuo。具ju體ti的de實shi現xian方fang法fa是shi將jiang一yi個ge低di側ce接jie地diCMOS電路和一個高側浮動CMOS製作到一起，通過N或P溝道LDMOS區域相隔離。LDMOS的作用是位準移動
，目的是在低側和高側電路之間跨過高壓柵來傳遞控製信號。位準移動電路不受高達50V/ns的快速瞬變的影響
，同樣也不受來自於IGBT變換器典型的10V/ns噪聲的幹擾。
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電機電流是通過使用一個外部分流晶體管來感測的
，HVIC可將小的差分電壓(±250mV)通tong過guo一yi個ge精jing密mi電dian路lu轉zhuan換huan為wei時shi間jian間jian隔ge，這zhe個ge精jing密mi電dian路lu的de紋wen波bo去qu除chu功gong能neng有you助zhu於yu顯xian示shi小xiao的de群qun延yan遲chi。時shi間jian間jian隔ge是shi快kuai速su瞬shun變bian的de
，會hui被bei帶dai到dao輸shu出chu端duan。這zhe樣yang就jiu可ke以yi獲huo得de與yu測ce量liang電dian流liu相xiang對dui應ying的de模mo擬ni輸shu出chu電dian壓ya
，以yi便bian與yu外wai部bu參can考kao電dian壓ya相xiang比bi較jiao，最zui大da采cai樣yang率lv為wei40kSPS。對於頻率高達20kHz的非對稱PWM調製來講，這個采樣速率富富有餘。20kHz時的最大延遲小於7.5s，對於被用來IGBT保護的電流感測信號來說也夠快了。圖4是電流感測電路。

圖4 HVIC應用中線性相電流感測電路

變速電機驅動設計的HVIC技術
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三相混合式多細分步進電機驅動器

步bu進jin電dian機ji的de細xi分fen控kong製zhi從cong本ben質zhi上shang講jiang是shi通tong過guo對dui步bu進jin電dian機ji的de定ding子zi繞rao組zu中zhong電dian流liu的de控kong製zhi，使shi步bu進jin電dian機ji內nei部bu的de合he成cheng磁ci場chang按an某mou種zhong要yao求qiu變bian化hua
，從cong而er實shi現xian步bu進jin電dian機ji步bu距ju角jiao的de細xi分fen。最zui佳jia的de細xi分fen方fang式shi是shi恒heng轉zhuan矩ju等deng步bu距ju角jiao的de細xi分fen。一yi般ban情qing況kuang下xia，合he成cheng磁ci場chang矢shi量liang的de幅fu值zhi決jue定ding了le電dian機ji旋xuan轉zhuan力li矩ju的de大da小xiao
，相xiang鄰lin兩liang合he成cheng磁ci場chang矢shi量liang的de之zhi間jian的de夾jia角jiao大da小xiao決jue定ding了le步bu距ju角jiao的de大da小xiao。在zai電dian機ji內nei產chan生sheng接jie近jin均jun勻yun的de圓yuan形xing旋xuan轉zhuan磁ci場chang
，各ge相xiang繞rao組zu的de合he成cheng磁ci場chang矢shi量liang，即ji各ge相xiang繞rao組zu電dian流liu的de合he成cheng矢shi量liang應ying在zai空kong間jian作zuo幅fu值zhi恒heng定ding的de旋xuan轉zhuan運yun動dong，這zhe就jiu需xu要yao在zai各ge相xiang繞rao相xiang中zhong通tong以yi正zheng弦xian電dian流liu。

三(san)相(xiang)混(hun)合(he)式(shi)步(bu)進(jin)電(dian)機(ji)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)十(shi)分(fen)類(lei)似(si)於(yu)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)。其(qi)轉(zhuan)子(zi)上(shang)所(suo)用(yong)永(yong)磁(ci)磁(ci)鐵(tie)同(tong)樣(yang)是(shi)具(ju)有(you)高(gao)磁(ci)密(mi)特(te)性(xing)的(de)稀(xi)土(tu)永(yong)磁(ci)材(cai)料(liao)，所(suo)以(yi)在(zai)轉(zhuan)子(zi)上(shang)產(chan)生(sheng)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)對(dui)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)場(chang)的(de)影(ying)響(xiang)可(ke)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。在(zai)結(jie)構(gou)上(shang)
，它(ta)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)種(zhong)多(duo)極(ji)對(dui)數(shu)的(de)交(jiao)流(liu)永(yong)磁(ci)同(tong)步(bu)電(dian)機(ji)。

驅動器的總體方案如圖5所示，主要包括單片機電路、電流追蹤型SPWM電路和功率驅動電路組成。

圖5三相混合式步進電機驅動器的整體方案框圖

其中
，單片機電路采用DSP電機控製專用芯片TMS320LF2407A

，電流追蹤型回路的傳輸方式以模擬電壓的幅值代表采樣電流或者電壓的大小
，其主要用來采樣a，b兩相電流及母線電壓檢測
，實現電機電流控製以及過壓、欠壓、過流保護。驅動器的主回路采用交—直—交電壓型逆變器形式，由整流濾波電路、三相逆變器以及步進電機等組成。

三相混合式多細分步進電機驅動器
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總結

以yi上shang介jie紹shao的de馬ma達da控kong製zhi係xi統tong設she計ji及ji驅qu動dong器qi設she計ji技ji術shu
，在zai提ti高gao馬ma達da控kong製zhi的de效xiao率lv和he可ke靠kao性xing，降jiang低di功gong耗hao，減jian小xiao尺chi寸cun方fang麵mian的de效xiao果guo非fei常chang明ming顯xian
，當dang然ran還hai有you很hen多duo其qi他ta新xin的de設she計ji技ji術shu和he產chan品pin，例li如ru，安an森sen美mei半ban導dao體ti開kai發fa的de雙shuang極ji步bu進jin電dian機ji驅qu動dong及ji控kong製zhi器qiAMIS-3062x係列的AMIS-30623可以滿足更高能效的要求。工程師可以根據設計的實際需求分析，選擇合適的馬達驅動和控製方案。