基于采用无传感器磁场定向控制（FOC）的永磁同步电机（PMSM）的高级电机控制系统快速普及，这种现象的背后有两个主要驱动因素：提高能效和加强产品的差异化。虽然有证据表明采用无传感器FOC的PMSM可以实现这两个目标，但需要一个可提供整体实现方法的设计生态系统才能取得成功。利用整体的生态系统，设计人员能够克服实现过程中阻碍系统采用的各种挑战。
PMSM电机是一种使用电子换向的无刷电机。它经常与无刷直流电机（BLDC）混淆，后者是无刷电机系列的另一个成员，也使用电子换向，但在结构上略有不同。PMSM的结构可针对FOC进行优化，而BLDC电机经过优化后可使用6步换向技术。经过优化后，PMSM可获得正弦波反电动势（Back-EMF），而BLDC电机则获得梯形波反电动势。
这些电机各自使用的转子位置传感器也不同。PMSM通常使用一个位置编码器进行操作，而BLDC电机则使用三个霍尔传感器进行操作。如果考虑到成本，设计人员可以考虑实施无传感器技术，以省去磁体、传感器、连接器和接线的成本。去除传感器还有助于提高可靠性，因为这会减少系统中可能发生故障的元件数量。当比较无传感器PMSM和无传感器BLDC时，使用FOC算法的无传感器PMSM可提供更出色的性能，而使用类似硬件设计的实现成本相当。
转用PMSM的最大受益者是那些目前正在使用有刷直流（BDC）或交流感应电机（ACIM）的应用。切换的主要好处包括具有更低的功耗、更高的速度、更平稳的转矩、更低的可闻噪音、更长的使用寿命和更小巧的尺寸，从而使应用更具竞争力。但是，要想实现使用PMSM的这些好处，开发人员需要实现更复杂的FOC控制技术以及其他应用特定算法，才能满足系统需求。虽然PMSM比BDC或ACIM的成本更加昂贵，但它具有更多优势。
图1：使用三相电压源逆变器的三相无传感器PMSM控制系统
但是，要实现使用PMSM的优势，需要了解实现高级FOC电机控制技术时固有的硬件复杂性，同时还需要掌握这一领域的专业知识。图1给出了使用三相电压源逆变器的三相无传感器PMSM控制系统。控制逆变器需要三对相互关联的高分辨率PWM信号，以及大量需要信号调理的模拟反馈信号。此系统还需要硬件保护功能来实现容错，同时利用高速模拟比较器实现了快速响应。实现传感、控制和保护所需的这些额外模拟元件增加了解决方案的成本，而典型的BDC电机设计或简单的ACIM每赫兹电压（V/F）控制并不需要这些元件。
此外，还有为PMSM电机控制应用定义元件规格和进行验证所需的开发时间。 要应对这些挑战，设计人员可以选择一款合适的单片机，以实现与专为PMSM电机控制量身定制的器件规格的高度模拟集成。这将会减少所需的外部元件数量并优化物料清单（BOM）。高度集成的电机控制器件现已具有高分辨率PWM，可简化高级控制算法、用于精密测量和信号调理的高速模拟外设、功能安全所需的硬件外设，以及用于通信和调试的串行接口的实现。
图2：标准无传感器FOC的框图
此外，还有一个较大的挑战，即电机控制软件与电机的电机械行为之间的交互。图2给出了标准的无传感器FOC框图。要将其从概念转变为实际的设计，需要了解控制器架构和数字信号处理器（DSP）指令，以实现数学计算密集的时间关键控制环。
为实现可靠的性能，控制环必须在一个PWM周期内执行。必须对控制环的时间进行优化，具体包括以下三个原因：
1) 限制：使用不低于20 kHz的PWM开关频率（时长为50 μs），以抑制来自逆变器开关的噪声。
2) 为实现带宽更高的控制系统，控制环必须在一个PWM周期内执行。
3) 为支持其他后台任务（如系统监视、应用特定功能和通信），控制环需要以更快的速度运行。因此，FOC算法的目标应该是在10 μs以内执行。
许多制造商提供了利用无传感器估算器来估算转子位置的FOC软件示例。但是，在使电机开始转动之前，FOC算法必须配置各种参数以匹配电机和硬件。必须对控制参数和系数进行进一步优化，以满足所需的速度和效率目标。可以通过结合以下方法实现这一目标：1) 使用电机数据手册获得参数；2) 反复进行试验。电机数据手册并不能始终对电机参数进行准确的表征，或者设计人员无法获得高精度测量设备，在这种情况下，开发人员将不得不借助反复试验的方法。这种手动调整的过程需要时间和经验。
PMSM电机用于许多不同的应用，运行在不同的环境中，或者存在不同的设计限制。例如，在汽车散热器风扇中，当电机即将启动时，由于风的作用，风扇叶片有可能向相反的方向自由旋转。在这种情况下，启动采用无传感器算法的PMSM电机是一个挑战，而且有可能损坏逆变器。一种解决方案是检测旋转方向和转子位置，并利用这些信息在启动电机前通过主动制动将电机减速至静止状态。同样，还可能有必要实施附加算法，如每安培最大转矩（MTPA）、转矩补偿和磁场弱化[1]等。这些类型的应用特定附加算法对于开发实用解决方案必不可少，但它们也会延长开发时间并使软件验证复杂化，进而增加设计复杂程度。
图3：FOC的应用框架
降低复杂程度的一种解决方案是，设计人员创建一个模块化软件架构，这种架构可将应用特定算法添加到FOC算法中，同时不影响时间关键型执行。图3给出了典型的实时电机控制应用程序的软件架构。此框架的核心是FOC函数，该函数提供了硬时序约束和许多应用特定的附加功能。框架内的状态机将这些控制功能与主应用程序连接起来。这种架构需要在软件函数块之间有一个定义明确的接口，以使其实现模块化并简化代码维护工作。模块化框架支持不同应用特定算法与其他系统监视、保护和功能安全程序的集成。
模块化架构的另一个好处是将外设接口层（或硬件抽象层）从电机控制软件中分离出来，这便于设计人员在应用功能和性能需求发生变化时，将其IP从一个电机控制器无缝迁移到另一个电机控制器。
应对这些挑战需要一个为无传感器FOC量身打造的电机控制生态系统。电机控制器、硬件、软件和开发环境应协同工作，以简化实现高级电机控制算法的过程。 为实现这一目标，此生态系统应具有以下特性：
图4：Microchip电机控制生态系统架构
图4给出了一个电机控制生态系统架构的示例，其中包括应用框架和一个用于高性能dsPIC33电机控制数字信号控制器（DSC）的开发套件。此开发套件在基于GUI的FOC软件开发工具的基础上构建，可以测量关键的电机参数并自动调整反馈控制增益。此外，它还可为利用电机控制应用框架（MCAF）在开发环境中创建的项目生成所需的源代码。解决方案协议栈的核心是电机控制库，这种库可以实现应用程序的时间关键型控制环功能，并与dsPIC33 DSC的电机控制外设交互。此GUI可与多个可用的电机控制开发板配合使用，支持电机参数提取并为各种低压和高压电机生成FOC代码。
对高能效和产品差异化的需求推动了向无刷电机的转变。全面的电机控制生态系统可提供一种整体方法来简化基于PMSM的无传感器FOC的实现，这种方法应包含专用的电机控制器、快速原型开发板和可自动生成代码的易用FOC开发软件。
[1] TB3220-利用角度跟踪锁相环估算器实现面向家用电器的永磁同步电机（表面贴装和内置）的无传感器磁场定向控制
http://www.microchip.com.cn/newcommunity//Uploads/202003/5e65d169337d8.pdf
[2] motorBench®开发套件
https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motorbench-development-auto-tuning
[3] 电机控制设计资源
https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive
[4] 电机控制库
https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motor-control-library
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