【導讀】電動馬達在今天的工業和日常生活中發揮著至關重要的作用。各種應用——從家電到汽車和重工業機器人——都采用無刷直流(BLDC)和交流電機，因為它們能效高，可定製性更廣。交流和BLDC電機在許多應用中都是首選
，因為它們的缺點很少

，如微控製器成本和複雜的控製算法。

圖片

本係列博客將討論一些不同的電機控製方案，首先是BLDC或交流電機的磁場定向控製(FOC)。

FOC是驅動電動馬達的最有效方式之一。FOC的de主zhu要yao目mu標biao是shi保bao持chi正zheng交jiao的de定ding子zi和he轉zhuan子zi磁ci場chang以yi產chan生sheng最zui大da扭niu矩ju。一yi種zhong方fang法fa是shi不bu斷duan監jian測ce三san個ge時shi變bian相xiang電dian流liu，並bing調tiao製zhi每mei個ge施shi加jia的de相xiang電dian壓ya以yi實shi現xian正zheng確que的de時shi變bian定ding子zi磁ci場chang方fang向xiang。然ran而er
，這zhe說shuo起qi來lai容rong易yi做zuo起qi來lai難nan，而er且qie由you於yu硬ying件jian/軟件要求增加，在實踐中也很困難。

在磁場定向控製中，時變電流仍被監測並投影到一個靜止的參照坐標係上，在那裏它們被分解成轉矩(q軸)和場通量(d軸)分量。這在數學上是通過克拉克變換(Clarke transformation)和帕克變換(Park transformation)完成的，這有助於在一個時間不變的參照坐標係內直接控製轉矩，減少控製的複雜性和帶寬要求。

圖1：用克拉克變換(Iα和Iβ)投影三相電流

，然後通過帕克變換投影到線性d,q旋轉參照坐標係

然後，指令的d-q軸分量被轉換回3相時變係統，以通過逆變器開關的PWM控製正確調製3相電流。

但是
，轉子的磁場角必須是已知的，以保持正交的定子和轉子磁場。這可通過編碼器或旋轉變壓器的位置反饋來實現(有傳感器)，也可通過反電動勢/磁通觀測器軟件來測量相電流以估計轉子角(無傳感器)。

編碼器一般分為兩類：增zeng量liang式shi和he絕jue對dui式shi。增zeng量liang式shi編bian碼ma器qi可ke測ce量liang相xiang對dui角jiao位wei置zhi和he旋xuan轉zhuan方fang向xiang，但dan不bu能neng提ti供gong零ling速su時shi的de絕jue對dui位wei置zhi信xin息xi。例li如ru，對dui於yu增zeng量liang式shi正zheng交jiao編bian碼ma器qi，正zheng交jiao相xiang位wei的de兩liang個geA/B脈衝信號表示相對角運動(例如，每轉1000個脈衝)，有時還提供附加的Z索引信號以提供參考點。A/B信號的相對相位的極性(例如
，A滯後B或B滯後A)表biao示shi旋xuan轉zhuan方fang向xiang。絕jue對dui編bian碼ma器qi通tong過guo各ge種zhong數shu字zi編bian碼ma提ti供gong真zhen實shi的de角jiao位wei置zhi。然ran而er，由you於yu信xin號hao數shu量liang和he帶dai寬kuan要yao求qiu的de增zeng加jia
，它ta們men往wang往wang需xu要yao通tong信xin總zong線xian將jiang信xin號hao發fa送song到dao控kong製zhi器qi(例如，16位位置編碼)。

相電流檢測

無論為FOC選(xuan)擇(ze)的(de)是(shi)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)還(hai)是(shi)無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)實(shi)現(xian)方(fang)式(shi)
，都(dou)必(bi)須(xu)準(zhun)確(que)測(ce)量(liang)相(xiang)電(dian)流(liu)以(yi)保(bao)持(chi)精(jing)確(que)的(de)扭(niu)矩(ju)控(kong)製(zhi)。測(ce)量(liang)相(xiang)電(dian)流(liu)的(de)最(zui)常(chang)用(yong)方(fang)法(fa)是(shi)在(zai)逆(ni)變(bian)器(qi)級(ji)中(zhong)使(shi)用(yong)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)在(zai)每(mei)個(ge)低(di)側(ce)MOSFET的源極和地之間進行低側檢測。由於分流器的共模電壓降低，可使用低成本電流檢測放大器。高側(串聯)相電流檢測通常需要昂貴的專業的高共模抑製比CMRR或隔離放大器電路來減輕共模電壓誤差，因為共模電壓在PWM頻率下大致在直流輸入電壓和地之間波動。

lixiangqingkuangxia，suoyousangexiangweidedianliudoushitongshiceliangde，danyoukenengjianshaofenliudianzuqideshuliang，congerjiangdixitongchengbenhegonglvsunhao，danhuizengjiadianliujiancedaikuanheruanjianfuzaxing。shuangfenliujiagouyikaojierhuofudianliudinglv(Kirchhoff’s current law)，從兩個測量電流計算未測量電流(例如，流入U和V相的電流等於流出W相的電流)。單分流器架構需要了解逆變器開關狀態才能將測量電流與實際相電流相關聯。

通常，用於確定所有相電流的測量精度會隨著分流電阻數量的減少(從3個減少到1個)而(er)降(jiang)低(di)。因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)更(geng)快(kuai)的(de)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)
，並(bing)且(qie)總(zong)係(xi)統(tong)延(yan)遲(chi)成(cheng)為(wei)一(yi)個(ge)更(geng)重(zhong)要(yao)的(de)因(yin)素(su)。此(ci)外(wai)
，在(zai)跟(gen)蹤(zong)檢(jian)測(ce)的(de)正(zheng)確(que)時(shi)刻(ke)和(he)確(que)定(ding)從(cong)測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)到(dao)實(shi)際(ji)相(xiang)電(dian)流(liu)的(de)相(xiang)關(guan)性(xing)方(fang)麵(mian)，軟(ruan)件(jian)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)也(ye)會(hui)增(zeng)加(jia)，在(zai)單(dan)分(fen)流(liu)架(jia)構(gou)中(zhong)最(zui)為(wei)明(ming)顯(xian)。

下麵的圖2和圖3舉例說明了有傳感器和無傳感器FOC電機控製係統。

有傳感器FOC

圖2：有傳感器FOC電機控製係統框圖

圖2顯示了使用正交編碼器的有傳感器FOC實施所需的信號。反饋至少需要1-3個電流檢測輸入(取決於分流架構)到ADC和正交A/B/Z信號的3個GPIO引腳。還必須為編碼器供電。

無傳感器FOC

圖3：無傳感器FOC電機控製係統框圖

圖3顯示了實施無傳感器FOC所需的信號。根據分流架構，ADC至少需要一到三個電流檢測輸入來提供反饋。

電機開發套件STR-1KW-MDK-GEVK和STR-MDK-4KW-65SPM31-GEVK是兩個全麵的電機控製方案，它們采用大功率模塊
，以有傳感器和無傳感器FOC控製來驅動電機。

保護功能

過流保護(OCP)

對於FOC，由於低側電流檢測已用於控製，這些相同的信號也可用於OCP。raner

，ruqiansuoshu
，dicedianliujiancezhinengjiancenibianqijihedianjizhongdeguzhang。keyishishiewaidegaocezongxiandianliujiancedianlu，yifangzhidianyuanxiayoudeqitaguzhang。

硬件、軟件或兩者都可實現OCP。通常，基於硬件的OCP將提供更快的響應
，但基於軟件的OCP更靈活。ADC的滿量程電流測量範圍限製了基於軟件的OCP的最大觸發點。硬件/軟件的組合實現可用於實現鎖存OCP，以快速緩解災難性的硬故障
，而基於軟件的OCP可控製動態事件

，如逐周期相位電流限製。

過壓保護(OVP)

在特定應用中，如再生製動可能導致直流母線上的電壓過高，可能有必要通過二極管箝位或撬棍電路實現HW OVP。基於軟件的OVP也可以通過監測直流母線來實現，並通過禁用逆變器輸出來保護電機免受高於電機額定電壓的潛在破壞電壓。

過溫保護(OTP)

監控逆變器MOSFET 和/或電路板溫度對於所有控製方法通常是個好主意
，尤其是當係統經受不同環境溫度的影響或冷卻係統發生故障時。例如

，PWM占空比限製可隨著溫度的升高而動態降低，熱監控也可幫助確定器件隨時間的退化。

MOSFET 門極驅動器

逆變器MOSFET的de門men極ji驅qu動dong器qi的de選xuan擇ze對dui於yu任ren何he電dian機ji控kong製zhi係xi統tong來lai說shuo都dou是shi至zhi關guan重zhong要yao的de，而er且qie應ying該gai明ming確que地di根gen據ju係xi統tong要yao求qiu進jin行xing選xuan擇ze。不bu當dang的de門men極ji驅qu動dong器qi選xuan擇ze可ke能neng會hui導dao致zhi性xing能neng顯xian著zhu下xia降jiang，甚shen至zhi是shi災zai難nan性xing的de係xi統tong故gu障zhang。

安森美(onsemi)有多種單相HS-LS MOSFET門極驅動器，如NCP51530和FAN73933，可用於每個逆變器相位(共3個)。但對於3相電機控製
，也可選擇使用專門的集成3相門極驅動器，包括FAN7388、FAN73896和FAN7888。

一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，三(san)個(ge)單(dan)相(xiang)門(men)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)原(yuan)始(shi)性(xing)能(neng)比(bi)集(ji)成(cheng)三(san)相(xiang)方(fang)案(an)更(geng)好(hao)，因(yin)為(wei)與(yu)每(mei)一(yi)相(xiang)的(de)耦(ou)合(he)更(geng)緊(jin)密(mi)。然(ran)而(er)，集(ji)成(cheng)的(de)三(san)相(xiang)驅(qu)動(dong)器(qi)通(tong)常(chang)還(hai)實(shi)現(xian)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)應(ying)用(yong)中(zhong)常(chang)見(jian)的(de)輔(fu)助(zhu)功(gong)能(neng)，降(jiang)低(di)了(le)硬(ying)件(jian)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)、元件數量和電路板尺寸。

另外，一些門極驅動器具有自動互補門極驅動輸出和死區插入的功能
，這允許單個PWM輸出(所需的PWM控製器信號從6個減到3個)來控製每個逆變器相位。請注意，此功能不適合某些PWM方案。

結合基本保護技術
，FOC可成為驅動電動機的最有效方法之一，也是在各種應用中提高電動機控製和精度的好方法。

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