通过智能电机控制优化实时性能与效率

数十年来，大多数电机控制应用都依赖于可为其实现低成本与实施简便性的通用有刷 DC 与步进电机。不过，随着微处理器 (MCU) 架构的不断创新与集成度的不断提高，当今开发人员能够采用更先进与更智能的电机类型与控制机制，以极低的成本提高电机的精度、性能、电源效率和使用一系列状态简化控制复杂性。所支持的状态越多，对位置的控制精确度就越高，但这同时也意味着需要更复杂的处理过程寿命。


高级电机类型

　　AC 电感 (ACI) 电机能很好地满足各种不同高性能应用的需求，其中包括白色家电、泵、风扇以及压缩机等(如冰箱和 HVAC 系统)。由于电机的内部定子和转子由可变电流控制且以不同的速度旋转，因而 ACI 电机采"持续"的控制方案来提高定位精度。PMSM 可实现低噪声工作和最小转矩，理想适用于需要高精度位置控制、超高速度和/或极高转矩的应用用异步工作模式。ACI 拥有优异的速度与扭矩控制，能够以较低的成本实现卓越的稳健性，且在高速情况下具有出色的效率。ACI 的主要劣势在于其需要复杂的反馈和控制机制，才能避免速度变化和较低速度时的效率不受影响。

　　无刷 DC (BLDC) 电机采用同步工作模式，可通过可变电流控制定子磁通量，而定子磁通量则由永磁线圈或电流馈电线圈保持为常量。同步控制能够提供非常高的位置精度，以及更高的电源效率(也就是说，由于磁铁固有的磁通量，因而驱动电机所需的电流可以降低)。BLDC 电机采用一系列状态(参见图 1)对位置进行控制。所支持的状态越多，对位置的控制精确度就越高，但这同时也意味着需要更复杂的处理过程。由于 BLDC 为无刷操作，因而理想适用于维护和磨损对总拥有成本影响较大的应用领域。BLDC 是发展速度最快的一种电机类型，能针对中高扭矩实现高效可靠的操作，具有高功率密度和可用于易燃环境等特性，非常适用于自动化、牵引、精密设备和白色家电等应用。由于 BLDC 采用简单的换向技术，因而这种系统复杂度较低、重量较轻，有助于实现小尺寸、高效率、低成本等优异特性，而且在变速及低速情况下均能实现出色性能。

　　永磁同步电机 (PMSM) 与 BLDC 电机的不同之处在于采用了"持续"的控制方案(参见图 2)。也就是说，PMSM 可实现低噪声工作、最小的换向转矩纹波，且能与低成本的分布绕组协同配合。其可支持更高的最高可达速度和更高的效率与转矩，因此非常适用于需要高精度位置控制、超高速度和/或极高转矩的应用，例如牵引、高精度自动化(机器人)以及混合动力/电动汽车等。

　　智能控制机制

　　对于如何控制不同类型的电机而言，开发人员有许多选择，具体取决于保持电机效率的工作范围(如高/低速度、高转矩)以及需要多高的精度(如位置、速度、转矩等)。每一种控制机制都在成本、电源效率、精度和性能方面拥有最佳的平衡点。

　　简单的标量控制(也称为 V/f 或单位频率电压)是一种用于驱动 ACI 电机的流行方法，因为这种方法实施起来简单直接，且其相应的处理要求也不高。可通过改变用于驱动电机的正弦波频率来管理速度，无需控制电流或优化转矩。但是，简单的标量控制在高速和低速情况下转矩效率均较低，动态性能不佳，对变化的响应迟缓，对设置点产生过冲，并在低速情况下内部电源损耗非常严重。

　　磁场定向控制 (FOC) 相对于简单标量控制而言，FOC是一种智能化程度更高的控制机制，根据应用的不同，其更高的复杂性能实现相对更出色的低成本性和电源效率以及更高的精度和性能。此外，FOC 也称为矢量控制，能在整个转矩和速度范围内实现对 ACI 和 PMSM 电机(表 1)的最佳控制。FOC 不仅能在最小化转矩纹波的同时提升起始转矩，而且还能有效支持所有速度的最大转矩。其可对变化进行快速响应并能在满负载条件下保持零速，从而可在整个电机速度范围内确保性能稳定可靠。由于 FOC 采用电流控制模式，因而开发人员可根据特定应用来相应优化电源转换器电路和电机大小。

　　梯形与正弦控制是 BLDC 电机控制两种最主要的选择。由于梯形控制比较简单且成本较低，因而传统上一直属于首选方法。但是，为了实现更顺畅的操作、更及时的转矩响应性以及更低的电气噪声，现在许多开发人员开始转而采用正弦控制方法。这不仅能提高性能和效率，还能配合分布绕组工作，且在较高速度条件下也能表现出更强大的控制能力，从而有助于 OEM 厂商实现出色的系统差异化。例如，梯形控制法的 EMI(电磁干扰)较高，会造成电机系统不稳定，从而显著影响性能，同时还会加大人耳可觉察的干扰噪音。

反馈

高级控制机制的更高性能和复杂性从一定程度而言都与反馈环路的使用有关