通過智能電機控制優化實時性能與效率

　　摘要：本文介紹了高級電機的類型及利弊，并介紹了集成型電機控制方案。

　　關鍵詞：智能;電機控制;MCU;集成型

　　數十年來，大多數電機控制應用都依賴于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制機制，以極低的成本提高電機的精度、性能、電源效率和使用一系列狀態簡化控制復雜性。所支持的狀態越多，對位置的控制精確度就越高，但這同時也意味著需要更復雜的處理過程壽命。

　　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 系統)。由于電機的內部定子和轉子由可變電流控制且以不同的速度旋轉，因而 ACI 電機采“持續”的控制方案來提高定位精度。PMSM 可實現低噪聲工作和最小轉矩，理想適用于需要高精度位置控制、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制，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 的主要劣勢在于其需要復雜的反饋和控制機制，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) 電機采用同步工作模式，可通過可變電流控制定子磁通量，而定子磁通量則由永磁線圈或電流饋電線圈保持為常量。同步控制能夠提供非常高的位置精度，以及更高的電源效率(也就是說，由于磁鐵固有的磁通量，因而驅動電機所需的電流可以降低)。BLDC 電機采用一系列狀態(參見圖 1)對位置進行控制。所支持的狀態越多，對位置的控制精確度就越高，但這同時也意味著需要更復雜的處理過程。由于 BLDC 為無刷操作，因而理想適用于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于易燃環境等特性，非常適用于自動化、牽引、精密設備和白色家電等應用。由于 BLDC 采用簡單的換向技術，因而這種系統復雜度較低、重量較輕，有助于實現小尺寸、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 電機的不同之處在于采用了“持續”的控制方案(參見圖 2)。也就是說，PMSM 可實現低噪聲工作、最小的換向轉矩紋波，且能與低成本的分布繞組協同配合。其可支持更高的最高可達速度和更高的效率與轉矩，因此非常適用于需要高精度位置控制、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。

　　智能控制機制

　　對于如何控制不同類型的電機而言，開發人員有許多選擇，具體取決于保持電機效率的工作范圍(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)。每一種控制機制都在成本、電源效率、精度和性能方面擁有最佳的平衡點。

　　簡單的標量控制(也稱為 V/f 或單位頻率電壓)是一種用于驅動 ACI 電機的流行方法，因為這種方法實施起來簡單直接，且其相應的處理要求也不高。可通過改變用于驅動電機的正弦波頻率來管理速度，無需控制電流或優化轉矩。但是，簡單的標量控制在高速和低速情況下轉矩效率均較低，動態性能不佳，對變化的響應遲緩，對設置點產生過沖，并在低速情況下內部電源損耗非常嚴重。

　　磁場定向控制 (FOC) 相對于簡單標量控制而言，FOC是一種智能化程度更高的控制機制，根據應用的不同，其更高的復雜性能實現相對更出色的低成本性和電源效率以及更高的精度和性能。此外，FOC 也稱為矢量控制，能在整個轉矩和速度范圍內實現對 ACI 和 PMSM 電機(表 1)的最佳控制。FOC 不僅能在最小化轉矩紋波的同時提升起始轉矩，而且還能有效支持所有速度的最大轉矩。其可對變化進行快速響應并能在滿負載條件下保持零速，從而可在整個電機速度范圍內確保性能穩定可靠。由于 FOC 采用電流控制模式，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。

　　梯形與正弦控制是 BLDC 電機控制兩種最主要的選擇。由于梯形控制比較簡單且成本較低，因而傳統上一直屬于首選方法。但是，為了實現更順暢的操作、更及時的轉矩響應性以及更低的電氣噪聲，現在許多開發人員開始轉而采用正弦控制方法。這不僅能提高性能和效率，還能配合分布繞組工作，且在較高速度條件下也能表現出更強大的控制能力，從而有助于 OEM 廠商實現出色的系統差異化。例如，梯形控制法的 EMI(電磁干擾)較高，會造成電機系統不穩定，從而顯著影響性能，同時還會加大人耳可覺察的干擾噪音。