电机广泛用于多种电子应用中，可以说它们无处不在。在我们的家中，有多个例子，例如风扇、吹风机、暖风机和厨房用具等等。如果再考虑汽车，我们很快就会发现车内有不同类型的电机：加热系统、冷却风扇、电动车窗、电动后视镜和座椅控制装置等等。
本文将基于Qorvo公司出版的“For dummies”系列电子书[1]，介绍每位设计人员、制造商或学生在面对电机控制应用时所必须掌握的基本概念。
市场上有不同类型的电机，设计人员必须根据具体应用的技术和经济要求进行选择。电机的主要类别有以下几种：有刷、无刷(又分为BLDC和PMSM)、感应和步进。
图1显示了上述四种类型的电机，并总结了每种电机的主要优缺点。
图1：四种主要类型的电机。(图片来源：参考文献1)
对于各种应用，BLDC和PMSM这两种密切相关的无刷电机越来越受欢迎。这些电机不需要电刷或换向器，使其比有刷电机更有效，并能显著延长电机寿命。
有刷电机中的电刷/换向器接口产生换向，也即切换各相中的电流以产生旋转磁场的过程，从而引起运动。这种相互作用会引起摩擦和电弧，这两者都是不希望的。
BLDC和PMSM两种电机使用电子产生的旋转磁场来消除电刷和换向器。提供给相位的电压和电流，使用专为完成此任务而设计的外部电路进行调制。
BLDC电机和PMSM电机尽管更复杂，但与传统有刷电机相比具有显著优势。它们的电子换向技术比以相同速度运行的有刷电机更可靠、更小、更轻、更安静，能效提高了20%至30%。
在有刷电机中，绕组位于转子上，而在无刷电机中，它们位于定子上。由于永磁体和绕组在电机内的布置方式，因此不需要电刷。需要一个电子控制器来控制流向BLDC电机或PMSM电机定子线圈的电流。
与交流感应电机相比，BLDC电机和PMSM电机可实现精确的速度控制，更适合变速应用，并具有出色的速度与转矩特性。
由于BLDC电机和PMSM电机均采用电子换向，因此它们需要采用专用电路来提供准确的线圈通电时序，从而确保准确的调速、转矩控制和效率优化。
今天，该电路(也称为电机控制器)已被集成到一个用于驱动外部(在某些情况下是内部)大功率MOSFET的高性能微控制器(MCU)中。集成解决方案的主要好处主要有两个：
电机控制器中所实现的最重要的功能如下：
BLDC电机和PMSM电机都可以视为同步电机。施加到定子相位的换向会产生旋转磁场，而转子上的磁极则会试图赶上同步。这会导致电机旋转，如果施加换向，电机会继续旋转。
当将载流导体置于磁场中或有导体切割磁场时，导体中会感应或产生出电动势(EMF)。闭合路径是允许电流流过的路径。由于电机中感应的电动势与发电机的电动势相反，因此在任何电机中因运动而产生的电动势称为反电动势。
BLDC和PMSM两种电机的定子绕组几何形状不同，这会导致不同的反电动势(BEMF)响应。
更准确地说，BLDC BEMF响应是梯形的，而PMSM具有正弦BEMF(见图2)。这是因为在PMSM中，线圈以正弦方式缠绕，从而会产生正弦BEMF特征(非常类似于相位相隔120°的三个正弦波)。
图2：BLDC和PMSM两种电机的BEMF。(图片来源：参考文献1)
由于BEMF波形不同，因此每种电机类型都需要不同的控制。
为了获得控制PMSM电机所需的正弦波形，需要使用磁场定向控制(FOC)算法。FOC是使用两个正交分量对三相电机中的定子进行的变频控制。一个是由定子产生的磁通量，而另一个是由转子位置所确定的电机速度所定义的转矩。
在正弦换向中，所有三根导线都受到一个每相相隔120°的正弦电流连续通电。这会在在电机鼠笼内产生一个旋转的南北磁场。为了正确运行，FOC算法需要知道电机的位置和速度。
与PMSM电机控制相比，BLDC电机控制更容易、更简单且成本更低。然而，后者在电流波形中实现了更低的噪声和更少的谐波。通常，BLDC电机使用六步梯形算法性能更好，而PMSM电机则使用正弦波换向算法性能更好。
带传感器的BLDC电机和PMSM电机在电机定子中嵌入使用了三个霍尔传感器(每相一个)。这样可以让控制器知道转子位置，从而确定哪个部分需要通电以及何时通电。
带传感器的电机更昂贵，需要采用更多布线并增加了生产的复杂性。出于这些原因，无传感器电机在许多应用中变得流行起来。无传感器电机需要通过算法将电机用作传感器来运行，并依赖于BEMF信息。在控制BLDC电机的传统六步梯形换向算法中，在任何给定时间只有两相通电。另一相是浮动的，因此提供了了解电机BEMF的窗口。通过对该BEMF进行采样，可以推断出转子位置，从而无需使用基于硬件的传感器。
无传感器算法的主要缺点是在启动期间，此时BEMF(与电机速度成正比)为零。如果没有BEMF，则无法确定转子位置。然而，将高频信号注入三相以推断转子位置的新算法，可以克服这个问题。
当今的集成电机控制器，例如图3所示的片上系统(SoC)，在单个芯片中包含了控制电机运行所需的所有模拟和数字部件。
如图3所示，微控制器内核具有模拟前端、电源驱动器、电源管理、脉宽调制(PWM)发生器和序列驱动数据采集。电源管理器还能处理系统功能，包括内部参考生成、定时器、休眠模式管理以及电源和温度监控。
图3：高度集成的BLDC电机控制器/驱动器。(图片来源：参考文献1)
将所有这些模块集成到单个器件中，而不是使用分立元器件，为所有应用提供了一个紧凑的软件可配置解决方案，因此简化了设计并降低了成本和上市时间。
[1] “Motor Control Fundamentals For Dummies, Qorvo Special Edition” by David Schnaufer, David Briggs, Marc Sousa, and Jose Quinones
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（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Learning the Basics of Motor Control，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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