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| 1 电机控制设计全攻略

• | 1电机控制设计全攻略
• 1 |电机控制设计指南贸泽、贸泽电子、Mouser与Mouser Electronics是Mouser Electronics公司的注册商标。所有出现在此的其他产品、 公司名称及标识均可能分属于各公司所有。文中所含参考设计、概念图以及其他图片仅供参考。版权所有© 2024 Mouser Electronics, Inc. 3 9 15 27 33 21
• 电机控制技术详解
• 电机简介
• 电机选择揭秘
• 通过隔离与感测提升电机效率
• 电机的运动与定位设计
• 电机驱动器的供电设计
• | 2特约作者 Alistair Winning技术撰稿人 Matt Campbell Joseph Downing Rudy Ramos Ricky Flores设计 Katie Sandoval特别感谢 Kevin Hess营销高级副总裁 Russell Rasor全球供应商营销副总裁 Heidi Elliott市场通讯总监 Raymond Yin技术内容总监
• 电机简介
• znosorogua / stock.adobe.com
• 图源：
• Figure
• 电机是我们日常生活中不可或缺的一部分。虽然通常隐藏在人们的视线之外，但它们执行着无数任务，让我们生活更便捷、更舒适，工作更有效率。在家用场景中，洗衣机、吸尘器、微波炉、吹风机以及许多其它电器都依赖电机。电机在商业和工业领域的应用也十分普遍，是泵、风扇、电梯和空气压缩机的关键组件。电机支持我们完成了许多工作，从通过管道泵送大量液体的"粗活"，到确保将微小的电子元件精确地放到电路上的"细活"。在不断向更可持续经济转型的进程中，电机再次成为这一变革的核心，通过高效热泵为电动汽车提供动力，促使可再生能源发电机以高
• 是涉及机械运动的电动器械或器件，几乎都需要使用电机来完成任务。
• 电机的尺寸多种多样。例如，西门子为中国一个储能项目开发了一款双极电机，这是世界上体积最大、功率最强的电机之一；而在另一个极端，科学家利用单个丁基甲硫醚分子制造了一台仅有的电机，这是世界上最小的电机之一。
• 105MW
• 1nm
• 电机作为诸多应用中不可或缺的一部分，它的市场是非常巨大的。根据 的数据，年电机市场的价值为亿美元，这一数字预计到年将升至
• MarketsandMarkets Research
• 2022
• 1340
• 2027
• 亿美元，复合年增长率达 。全世界有数以十亿计的电机正在工作，要想汇总出当前电机总数并不是一件容易的事情。不过，根据欧盟估计，仅在其经济区内，就安装有亿台电机，而这些电机的总耗电量大得惊人。根据估算，它们消耗的电力占到了全球总发电量的，占工业用电的近。因此，人们强烈希望通过提高电机的工作效率来减少耗电量。
• 1860
• (CAGR)
• 6.8%
• 1
• 80
• 2
• 46%
• 70%
• 3
• 在电机制造过程中，通过采用更精确的制造技术和更先进的材料，可以提高电机本身的制造效率；此外，还可以设计辅助组件，从而更加高效地驱动电机。例如，变速驱动器和变频
• (VSD)
• Figure
• 驱动器可以让电机的旋转与负载要求相匹配，确保系统始终以高效率运行。和并不是什么新技术，但它们不仅能节省能源，还可以带来许多其他优势，如软启动、长寿命和性能分析，因而这两项技术的部署应用正变得越来越广泛。
• (VFD)
• VSD
• VFD
• 近些年投向市场的先进材料，如氮化镓和碳化硅，有助于更加高效地为电机供电。这些功率器件通常由复杂的数字计算技术提供支持，可以精确地控制流向电机的电力。这些技术可以大大提高电机的能效，降低运行成本，同时提高系统性能。
• (GaN)
• (SiC)
• 此外，世界各地的政府和贸易组织还通过立法来推广使用能效更高的驱动器。美国于年开始对电机进行监管，这是其《能源政策法案》的一部分。五年后，美国针对在美国市场生产或销售的工业用、商用和家用电机引入了最低效率性能标准。在全球范围内，国际电工委员会制定了标准，为全球制造与销售的电机的能效等级提供了准则。该法规于年进行了更新，并且推出了标准，规定了如何使用既定测试方法确定电机效率和损耗。该标准中的等级范围从到，其中能效最低，能效最高。
• 1992
• (MEPS)
• (IEC)
• IEC 60034-30:2008
• 2014
• IEC 60034-2-1:2014
• IE1
• IE5
• IE1 (1)
• IE5 (1)
• 监管机构已经在使用这些等级来强制规定电机的最低能效水平。例如，欧盟关于电机和变速驱动器的法规于年月日生效。该法规在以往立法的基础之上进行扩展，首次规定了的分级以及最低性能水平。不在法规豁免范围内的电机必须满足、或能效水平，具体取决于其额定功率和其他特性。该立法意味着欧盟成为首个强制规定部分电机必须至少实现能效水平的机构。
• IE
• (EU) 2019/1781
• 2021
• 7
• 1
• IE2
• IE3
• IE4
• IE4 (1)
• 电机工作原理及类型
• 从最基本的层面来看，电机是一种将电
• Figure (1)
• 1HASSANE/stock.adobe.com
• 图
• ：直流电机的基本工作原理。（图源：
• ）
• 能转化为机械运动的简单机器。由于磁场的相互作用，即异性相吸、同性相斥，才能实现上述转换。在大多数电机中，磁场由永磁体和/或电磁铁产生。当构造基本的电机时，电磁铁缠绕在位于构造中心轴上的铁芯上，永磁体位于结构的外部，磁极位于两者直接相对的两侧。
• 如所示，在向转子供电时，会产生电场，电磁铁的北极与永磁体的北极相斥，而与永磁体的南极相吸。为匹配永磁体的相对极，转子会旋转。当转到相应位置时，其电源极性被反转，磁场也随之反转，转子与靠近的磁铁相斥，与装置另一边的磁铁相吸；达到相应位置后，极性再次反转以保持旋转。这种装置就是直流电机，因为提供给电磁铁的电流是直流电。
• 1
• 所示为直流电机的主要组成部分。电磁铁绕组（也称电枢）是转子结构的一部分，这个结构通常还包含铁芯、轴承和轴，使其能够自由转动。永磁体的南极和北极分别位于转子的左右两侧，构成定子。
• 2
• 在电机中，磁极总是成对出现，电机的极数就是永磁体的磁极数。因此，双极电机中使用的就是单块永磁体，如所示。不同极数的电机在速度和转矩之间存在一定的取舍与平衡。双极电机的旋转速度大约是同等尺寸四极电机的两倍，但四极电机的转矩更大。每当转子到达相对极时，分环换向器就会切换电流的极性。电刷是将电流从电源传导到转子的电触点。设计更复杂的电机可能会在转子和定子上都使用电磁铁，或者在转子上使用永磁体，而在定子上使用电磁铁。
• 电机的另一个主要类别是交流电机，顾名思义，它依靠交流电源工作。交流电机和直流电机一样，都包含一个转子和一个定子。然而，交流电机的定子有多个线圈，它们按设定的顺序成对通电，从而产生围绕电机外部旋转的磁场。因为定子为转子供电，所以转子不像直流电机那样需要电源。定子产生的磁场在转子中产生感应电流，而电流又产生自己的磁场，与定子的磁场相互作用，导致转子旋转。交流电机不需要换向器来切换电流方向，因为交流电本身就可以自动切换极性。
• 交流电机可以是单相或三相的，三相电机使用三个交流电流，它们在线圈中相互呈三角异相。在工作过程中，一个线圈吸引转子，另一个线圈排斥转子，还有一个线圈处于中性状态。由于转子不需要外部电源，交流电机不需
• 要电刷，因此它们运行产生的热量较少，并且更安静、更坚固耐用。
• 交流电机和直流电机都有进一步的细分类目，如所示。后续文章将详细介绍这些类型的电机、它们的工作原理以及它们的应用场合。
• 图
• 3
• 优点对比
• 每种应用都不尽相同；选择交流电机还是直流电机需要许多复杂的决定，本指南稍后将探讨这个问题。一般而言，交流电机更坚固耐用，而且由于其工作原理的缘故，转矩比直流电机更大。交流电机的启动电流水平可控，更加灵活，
• Figure (2)
• DMTH46M7SFVWQ NMOSFET
• 沟道增强模式
• Figure (3)
• mouser.cn/diodes-dmth46m7sfvwq-n-channel-mosfet
• 直流电机
• 电子运动电刷直流电源开口环换向器旋转 N S
• 2Saint Images/stock.adobe.com
• ：直流电机的基本构造。（图源：
• ）
• 并且其加速度和速度更容易与负载相匹配。而直流电机的安装与维护更加容易。它们一通电就能提供高功率和转矩，对启动、停止和加速的响应更快。
• 电机的未来
• 电机的历史几乎与人们可靠地利用电力的历史一样悠久。年，亚历山德罗·伏特发明了电池，而仅仅时隔年，莫里茨·雅可比就发明了具有可用 机械动力的电机。从那时起，电机一直在不断发展，以满足用户的需求。对更高效电机的需求，推动了当前市场的进步，这一趋势在未来短期和中期仍将继续。尽管最近在提高电机及其驱动电路的效率方面已经取得了长足发展，但市场对进一步创新仍有很大需求。例如，电动汽车制造商就需要功率更大、重量更轻的电机，以提高能量密
• 1800
• 34
• 度和续航里程。在其他应用中，设计人员也希望电机能在制造过程中不使用稀土矿物，此举一来可以降低价格，二来可以消除可能出现的任何供应链问题。这些需求将确保电机技术一如既往的重要，并将在未来继续延续这一势头。
• Figure
• 关于作者：Alistair Winning自1997年从西苏格兰大学电子系统专业获得理学学士学位以来，Allistair一直在电子媒体行业从事市场营销、公关和新闻工作。在此期间，他担任过《Electronics Engineering》、《Embedded Systems Europe》、《EENews Embedded》、《Technology First》、《Electronic Product Design and Test》以及《Panel Building and Systems Integra
• 来源
• "Electric Motors Market Size, Share, Industry Analysis [2022-2030]," MarketsandMarkets, November 2024, / Market-Reports/electric-motor-market-alternative-fuel-vehicles-717.html.
• 1
• https://www.marketsandmarkets.com
• 2 "Electric Motors and Variable Speed Drives," European Commission, accessed January 26, 2024, https://commission. europa.eu/energy-climate-change-environment/standards-tools-and-labels/ products-labelling-rules-and-requirements/ energy-label-and-ecodesig
• 电机直流电机无刷直流 (BLDC) 电机有刷直流电机交流电机感应电机特种电机步进电机伺服电机永磁同步电机 (PMSM)图3：电机分类概览。（图源：作者）
• Figure (4)
• HP8K/HT8K MOSFET
• 双沟道增强模式
• mouser.cn/rohm-hp8k-ht8k-mosfets
• Figure (5)
• 电机选择揭秘
• 在本电机系列文章中的第一篇，我们介绍了交流电机和直流电机，并概述了它们的工作原理。这些电机设计自首次问世以来，几经改进，现已形成了多个子类别。本文将深入介绍重要的子类别，并探讨每种类型的潜在应用。
• 交流电机
• 如今广泛使用的交流电机主要有两
• 类：感应电机和同步电机。本文讨论的所有交流电机都依赖定子产生旋转磁场，该磁场与转子磁场相互作用以产生转矩。这两种设计的主要区别在于转子产生磁场的方式。
• 电机的外壳是中空的。在这里的所有示例中，定子由环绕壳体内部的电磁铁环组成（）。电磁铁按照磁极对排列（电源的每个相位至少有一对磁极)，并缠绕在一起，使相对的磁极彼此直接穿过
• 图
• 1
• 磁环。每相有一对磁极的电机称为两极配置，每相有两对磁极的电机称为四极配置。
• 极数会影响转子的速度和转矩。当接通交流电源时，电流流进线圈，产生磁场。交流电源的正弦特性意味着磁场会围绕转子旋转。每相只有一对磁极的电机将在每一个供电周期旋转一 次，有两对磁极的电机每两个周期旋转一次，有三对磁极则每三个周期旋
• 图源：Surasak / stock.adobe.com
• Figure (6)
• 图：交流电机几乎都采用绕组在定子中产生旋转磁场的方式工作。（图源：）
• 1
• Meni-clicks/stock. adobe.com
• 转一次。磁场的旋转速度可用以下公式来计算:
• 旋转速度
• =
• 供电频率 (Hz) × 2)每相极数
• 这个公式得出的结果是是每秒转数，乘以就可得出每分钟转数。由于电机速度与供电频率相关联，如果需要不同的速度，则可以使用变频驱动器来改变供电频率，从而达到所需的速度。
• 60
• 交流电机可用于单相或三相拓扑。然而，单相设计的极数不足以产生旋转磁场，因而需要采用额外的绕组。额外绕组必须与电源异相才能产生旋转磁场；因此，还需要使用一个器件（通常为电容器）来改变相位。
• 交流感应电机
• 交流感应电机（也称异步电机）因其结构简单而被广泛选用。它们只有一个运动部件——转子，因而非常坚固可靠。由于设计简单，它们也极具性价比。此外，这种电机还可以直接从主电源运行，因此安装更容易。
• 交流感应电机的转子有多种不同的结构，包括金属轴或线圈。不过，为了提高效率，转子通常采用"鼠笼式"设计。这种类型的电机采用并联导电金属条材料（通常为铜或铁），两端分别连接到由相同材料制成的环上（）。鼠笼式组
• 图
• 2
• 件围绕一个铁芯制作而成。
• 旋转磁场在转子导电条中感应出电流，而电流又产生磁场，该磁场与定子的原始磁场相互作用。这个过程会在转子导电条上产生力，使转子旋转以"追赶"定子电场。然而，如果转子以与定子磁场相同的速度旋转，那么转子导电条中就不会感应出电压。如果施加负载，那么负载会减慢转子的速度，两个电场的相互作用就会产生转矩，从而驱动负载。负载越大，转子的速度就越慢。定子磁场转速与转子转速之间的百分比差称为滑差，可通过以下公式计算：
• 滑差
• 定子磁场转速 转子转速
• (
• -
• )
• 定子磁场转速
• Figure (7)
• 2Madalin/stock.adobe.com
• ：鼠笼式转子总成。（图源：
• ）
• 交流感应电机经济实惠，设计可靠，广泛应用于工业和家用场景。例如，单相电机常用于小型应用，如压缩机、风扇、搅拌器、玩具和钻机。三相设计主要用于要求更高的场合，包括起重机、破碎机和升降机。
• 交流同步电机
• 顾名思义，同步电机的转子转速与定子磁场转速相同。感应电机的缺点之一，就是运行所必需的滑差使其不适合需要精确计时的应用，因为转速会随负载的变化而变化。而交流同步电机没有滑差，因此对于这些应用来说非常合适。由于转速不受负载影响，同步电机通常用于要求恒定转速的应用（如管道泵，无论压力如何，流速均需保持恒定）。
• 为使电机正常运行，转子需要产生自己的磁场。其原因在于转子的惯性，在大型电机中尤其如此，惯性会阻止转子的自启动以及与定子磁场同步。产生磁场的方式通常有两种：向绕组提供直流电流（励磁）或使用永磁体（非励磁）。负载差异会导致相位滞后，但电机在电源频率控制下可保持恒速旋转。
• 励磁转子
• 励磁同步电机的转子具有与定子绕组相匹配的绕组。直流电源用于给转子中
• 的绕组通电，以产生恒定的磁场，使转子与定子的旋转磁场相互作用并同步。直流励磁电机通常用于需要小于功率的应用。
• 1kW
• 非励磁转子
• 非励磁同步转子采用铁磁材料代替电流提供转子所需的磁场。非励磁转子设计主要有三种类型：磁滞、同步磁阻和永磁同步。
• 磁滞电机转子的制造材料为具有宽迟滞回线的多层材料，固定在坚固的非磁性（通常为铝）芯周围。转子具有高保持力，因此难以改变定子旋转磁场引起的磁极。定子磁场在转子中产生涡流，从而提供起动转矩。随着转子加速，磁滞转矩渐占上风，直到转子达到同步转速，此时涡流转矩降至零，所有转矩都由磁滞产生。
• 磁滞电机
• 磁滞电机结构简单，安静并且可靠。它们不需要励磁即可启动并顺畅同步，并且启动和运行期间也不会消耗大量电流。这类电机常用于需要恒定速度的设备，以及噪声对应用的工作有害的设备（如唱机转盘）。
• 同步磁阻电机
• 同步磁阻电机的转子由软磁材料制成，
• 具有可产生高磁导率和低磁导率区域的特性。此类电机的转子和定子都采用凸极结构。这种结构会产生较高的转矩纹波，因此转子的极数通常少于定子，以尽可能减小这种影响。
• 当转子和定子的凸极对齐时，磁阻最小，而当它们完全不对齐时，磁阻最大。转子始终从高磁阻向低磁阻运动，从而产生转矩。该转矩会将转子拉到离定子最近的定子凸极上，并引起旋转。该系统可通过设备进行控制，以提供连续的旋转输出。
• 近年来，同步磁阻电机越来越受欢迎，因为电子技术的发展让电机控制变得更加容易。这类电机的设计也很简单，并且成本效益高、坚固耐用、易于制造。不过，它们需要复杂的驱动系统，这会增加总体成本。高效率、易控制性以及可靠性使该类电机成为许多应用的理想之选，包括电动汽车和机器人。
• 永磁同步电机的转子使用磁铁来产生所需磁场。磁铁可以嵌入转子中，也可以固定在转子顶部。将磁铁固定在转子表面意味着设计的机械性能较弱，从而限制了电机的速度。表面磁体还意味着设计的凸极的极性较低，几乎完全依赖磁转矩。相比之下，嵌入式
• 永磁同步电机
• (PMSM)
• 磁体设计可以使用磁性和磁阻转矩元件。转子设计可以采用普通结构，也可以采用凸极结构。普通设计用于高速应用，而凸极设计用于低速工作。磁场定向控制用于控制电机的速度。
• 永磁同步电机在整个速度范围内具有平滑转矩、加减速迅速以及噪音低等特性，因此非常适合用于机器人等应用。
• 混合设计
• 其他类型的交流电机包括利用两种不同类型电机优势特性的设计。例如，永磁同步磁阻电机结合了同步磁阻电机的高效率和灵活控制以及永磁电机的高转矩密度。这种混合设计的另一个例子是永磁同步直线电机，这是一种交流感应电机，采用附有永磁体的鼠笼式转子。
• 直流电机 (1)
• 直流电机可在启动时提供高转矩，易于控制，并且不需要复杂的整流。直流电机主要有两种类型：有刷和无刷。
• 有刷直流
• 有刷直流电机通常采用提供固定磁场的永磁定子。转子由电磁极构成，通过必须
• Figure (8)
• NCD83591
• 电机驱动器
• Figure (9)
• mouser.cn/onsemi-ncd83591-drivers
• 接触转子的电刷通电。磁场的相互作用使转子上的电磁铁向相反的磁极移动。而换向器则不断切换电磁铁的极性，从而维持这种旋转。
• 尽管这种设计已经使用了一百多年，但组件和材料技术的进步使得有刷电机成为低端、高性价比应用的可行解决方案。这种设计虽有局限性，但现代和开关可将其性能提高到可接受的水平。此外，直流电机几乎不需要控制元件，只需接上两根电线即可工作。
• MOS
• -
• FET
• IGBT
• 无刷直流
• 如同交流同步磁阻电机一样，由于电子技术的进步，无刷直流电机 （）也得到了广泛应用。无刷直流电机的设计与交流电机有一些相似之处，其运行依赖于定子上的电磁铁产生旋转磁场。在这种情况下，电子系统通过调整流入线圈的电流大小和方向来控制磁场的旋转。而转子本身是永磁体。这样，设计中就不再需要电刷和换向器，因而比老式有刷直流设计更可靠、更高效。
• (BLDC)
• 图
• 3
• 得益于通过调整电磁线圈的电压来精
• 确控制电机速度的能力，电机非常适合精密应用，例如驱动无人机的旋翼。
• BLDC
• 结语
• 通过对电机的探索，我们发现了电机的多样性和专业性。交流电机，特别是感应电机和同步电机，以其坚固耐用性和可靠性脱颖而出，广泛应用于工业机械到家用电器等用途。它们对对单相或三相工作的适应性以及易于与市电集成的特性，使之成为了诸多场合的首选。
• 直流电机，特别是无刷直流电机，在精度和效率方面表现出色。电子控制系统的进步推动了这类设计的发展，使其成为需要高启动转矩和精确速度控制的应用（例如无人机）的理想之选。混合设计的电机进一步体现了电机设计的灵巧与精致，它们融合了不同电机类型的优势特性，从而提高了效率和性能。
• 为每种应用选择适合的电机类型至关重要，没有哪一种设计能适合所有应用。随着技术的进步，电机将继续向前发展，为各种应用提供更加量身定制的高效解决方案。
• Figure
• Figure (10)
• 3BDLCnikkytok/stock.adobe.com
• 图
• ：无人机应用中的
• 电机。（图源：
• ）
• Figure (11)
• MPQ6541/ MPQ6541A-AEC1
• 无刷直流电机驱动器
• Figure (12)
• mouser.cn/mps-mpq6541-mpq6541a-aec1-motor-drivers/
• Figure (13)
• 电机控制技术详解图源：VRAYVENUS/stock.adobe.com
• 本系列前两篇文章介绍了不同电机的基本工作原理。在电脑风扇这样的一些简单应用中，以单一速度和单一方向运行的电机可直接通电运行，无需控制。由于风扇几乎一直开着，因此无需控制，并且在电脑唤醒时，电子元器件会冷却。但也有许多其他装置要求电机更加灵活。就连基础款的吊扇都需要控制电路设置三个甚至更多的速度档位。这种复杂性一直在增加，直至多轴机器人等应用的出现，这类应用采用不同类型的电机，要求在各种不同的速度下保持转矩的准确度和精
• 度。即便是低端市场，使用电机的产品设计人员也在寻求更精细的控制，以确保电机速度始终与负载相匹配，从而实现最高效率。
• 电机有几种不同的类型，每一种都有各自的优缺点。要获得最佳性能与效率，这些电机几乎免不了要采取某种合适的控制电路。有些控制方法非常简单，只需几个基础的元件，而另一些则极其复杂，需要各种硬件和软件开发。本文将介绍可用于每一种主流电机设计的不同控制类型。
• 有刷直流 (1)
• 有刷直流电机是一种较为老旧的设计，由于成本低，现如今依然应用广泛。在大多数应用中，设计人员采用不带控制电路的有刷直流电机来降低成本。但如果需要更改电机速度或者反转旋转方向，则需要驱动电路。简单的分压器可以改变速度，因为速度与直流电机中的电压成正比。但分压器仍将消耗相同的电流，因此拉低了这种技术的效率。对于只需按一个方向旋转的有刷直流电机，更好的解决方案
• 是脉宽调制器，它通过占空比来控制电机的平均电压。电路只需要一个以控制信号发送的频率进行交换的晶体管和一个提供路由以消除反向电动势的二极管（）。如需反转电机方向，则可使用桥电路。桥设计采用四个晶体管，每个晶体管都配有一个反激二极管。这种类型电路的实际控制器往往是具有集成控制器的简单微控制器。
• (PWM)
• PWM
• 图
• 1
• H
• H (1)
• PWM (1)
• 无刷直流 (1)
• 无刷直流电机与交流电机的工作原理相似，定子产生旋转磁场，从而使永磁体转子转动。电压用于按特定顺序给定子绕组中的电磁铁通电，从而产生旋转磁场。无刷直流电机至少设有三个定子线圈，更典型的是六个甚至更多。三线圈版本的线圈间距为度。在任何时刻，都是一个线圈为正，一个接地，第三个为开路。如果定子线圈按顺序连续切换，转子将"追赶"磁通并旋转。单独使用这类控制，会在转子上的磁体从一个磁极跳到另一个磁极时产生颠簸的运动，这可能
• (BLDC)
• 120
• Figure (14)
• 图：电机以单一方向旋转时的有刷直流电机控制（图源：作者）
• 会在系统中引起振动和噪声。
• 为了让旋转更加顺畅，正弦控制可提供连续的电流变化。这类控制通常配有一个逆变器，可调整流入每个定子绕组的电压和电流。通过延长或调整占空比来产生正弦波效应。对于绕组来说，高占空比看起来像是电压在增加，从而产生更多电流，而低占空比将减少电流。
• 正弦控制比有刷直流电机所需的简单 控制要复杂得多，需要生成和协调三个电压。如所示，传感器将来自转子的位置数据提供给解码器，然后用于计算彼此相移度的两个正弦波。然后将这些信号乘以计算值，从而得到所需的转矩。产生的信号被输入到两个控制器，通过和输出电桥调节定子绕组中的电流。第三个绕组中的电流是另两个计算出的电流的负和，不能单独控制。具有适当外围设备的微控制器可以执行所示的大部分功能；例如，系列器件集成了输入捕获和定时器，可用于三相电机控制。
• 2
• P-I
• 图 (1)
• 2 (1)
• Renesas RX
• PWM (2)
• 虽然正弦控制非常适合用于提供顺畅、无噪声的输出，但梯形控制（）可最大限度地提高电机的转矩。在这种技术中，一次只对两个等幅的绕组通电，而第三个绕组则设置为零电流。
• 3
• 扭矩命令电机电流正弦查找表 PWM 调制器 I A I B I C电流传感器解码器位置传感器 A B C BLDC电机
• 图：无刷直流电机正弦控制器的简化框图。（图源：）
• 2
• Renesas Electronics
• 扭矩命令 PI 控制器 PWM 调制器 I A I B I C电流传感器解码器位置传感器定子转子 BLDC电机 A B C N S电机电流
• 图：无刷直流电机梯形控制器的简化框图。（图源：）
• 3
• 这意味着只有个可能的电流空间矢量。转子中通常嵌入三个霍尔传感器来提供位置信息。当转子旋转时，每旋转度定子绕组的电流切换一次，因此电流空间矢量始终在正交方向度以内。
• 6
• 60
• 30
• 即使没有霍尔传感器，通过测量转子旋转产生的反电动势来计算正确的通电顺序，也可以实现梯形控制。由于任何时刻只有两个绕组通电，未通电绕组中没有电流流动，这意味着可以直接感应反向电动势。无传感器的控制更加复杂，系统需要根据应用的负载情况进行调整。但与传感器控制相比，实现成本更低，布线也更少。这一点非常重要，因为有些应用不支持额外布线。
• 另一种控制电机的选择是使用矢量控制，也称为磁场定向控制 。我们将在交流电机部分更详细地介绍矢量控制，因为它在这些应用中最为常用。矢量控制执行复杂的计算，支持以类似处理两相直流值的方式处理三相交流值。由于其复杂性，矢量控制需要非常高精度的定位信息、具有强大处理能力的微控制器以及浮点单元来执行计算。与正弦波控制相比，矢量控制以更简单的物理设计实现了高效率。不论有无位置信息传感器，都可采用矢量控制。
• BDLC
• (FOC)
• 交流电机 (1)
• 交流电机也包含定子，通过按规定顺序为电磁体通电来产生旋转电磁场。电机速度与输入频率息息相关，因此，如果需要更改电机的速度，那么定子的电流频率也需要相应作出更改。更改频率主要有两种方式：标量控制和矢量控制。标量控制仅有利于控制恒定负载应用中定子电压的大小和频率。矢量控制则可提供对电机速度和转矩的独立控制，因此能够在不同负载下维持恒定的速度。异步电机和同步电机均可使用标量控制与矢量控制。但标量控制往往会导致效率低下和功率因数不佳。矢量控制可减少这些问题，但更加复杂，成本更高。
• 标量控制
• 标量控制的原理在于保持定子产生的磁场强度不变。为实现这一点，控制器会调整传输至定子电磁体的电源电压和频率。然而，仅改变频率的话只能改变电机的速度，必须同时调整电压才能保持转矩稳定。在不影响转矩的情况下，改变速度最有效的方法就是保持比率。例如，如果电机额定值为 ，那么一直保持的比率总能让电机更高效地运行。标量控制通常为采用外部励磁的开路，但也可以通过添加编码器反馈来测量电机的
• V/Hz
• 120V/60Hz
• 2:1
• 实际速度，从而实现闭环控制。但由于需要更多零件，闭环控制成本更高，更加复杂。
• 矢量控制
• 矢量控制支持对传输到定子绕组的电源频率和相角进行调整。矢量还控制电流的磁通量和转矩分量，这使其成为了最复杂的控制技术。因此，这是一种非常高效且精准的电机控制方法。近年来，由于推出了降低电机功耗的法规，矢量控制的应用愈发广泛。此外，它还提供其他优势，包括更高的速度和更流畅的转矩。
• 电机的转矩是由转子和定子产生的电场相互作用引起的，当这些电场正交时，转矩达到最大值。矢量控制旨在保持两个电场在电机运行时正交。定子绕组中的电流将定子和转子耦合在一起，产生转矩。矢量控制将这些分量隔离开，在调整转矩电流的同时保持耦合电流最小。磁通的数学模型用于控制何时给电磁体提供电流，以及提供多大电流。通过从定子绕组返回的电流就可以精确地计算出转子的位置，因此，不再需要传感器。
• 矢量控制可以用于几种类型的电机，包括较新的混合设计，如永磁辅助同步磁阻电机，只要为电机类型选择正
• 确的数学模型即可。该功能可以简化未来向更高效电机的迁移。用户还可以选择包含模拟信号链功能、电源栅极驱动器和扩展的微控制器，来简化矢量控制电机硬件解决方案的实现。或者使用适合复杂电机控制应用的专用。
• DSP
• IC
• IC (1)
• 例如，的数字信号控制器系列结合了微控制器和 的功能（）。
• Microchip Technology
• 图
• 4
• 结语 (1)
• 从简单的家用电器到复杂的工业机械，电机的高效控制对于优化各种应用的性能至关重要。控制方法多种多样，但每一种都优势与挑战并存，适合满足不同的电机类型和应用要求。经济实惠的有刷直流电机受益于等直接控制技术，而无刷直流电机要实现流畅运行和最大化转矩，则需要正弦和梯形算法这样更复杂的控制方
• PWM
• 法。矢量控制的进步，尤其是在交流电机中的应用，凸显了电机控制技术的重大飞跃，即便在不同负载条件下，也能提供对速度和转矩的精确控制。随着电机应用朝向更节能和更高性能的方向发展，这种多功能性和效率至关重要。
• 随着微控制器技术和软件开发工具的不断进步，电机控制未来可期。许多知名公司都走在这一技术的前沿，提供
• Park逆变换 Park变换 Clarke逆变换 Clarke变换三相桥电机 SVM PIPI PI d,q α,β d,q α,β α,β a,b,c位置位置和速度估算器速度
• 4FOCMicrochip Technology
• ：标准无传感器
• 的框图（图源：
• ）
• 集成解决方案，简化复杂控制系统的实施。随着技术的不断演进，我们期待更高效、更紧凑、更具经济效益的电机控制解决方案问世，支持更广泛的应用，并突破电机的极限。无论是提高简单吊扇的效率，还是提高多轴机器人的精度，要在日益自动化的世界中充分利用电机潜能，掌握电机控制的艺术依然是一个关键因素。
• Figure
• Figure (15)
• PAC52710/11
• 电源应用控制器
• Figure (16)
• mouser.cn/qorvo-pac52710-11-pacs
• Aside
• MCP8021/MCP8022BLDC
• 三相
• 电机栅极驱动器
• Figure (1)
• mouser.cn/microchip-mcp802x-drivers
• 电机驱动器的供电设计
• 在本系列的前几篇文章中，我们介绍了为了最大程度地提高速度、转矩和效率，电机的控制如何变得越来越复杂。重点介绍的解决方案需要强大的微控制器来处理复杂的算法，从而精确计算出电机的定子电磁铁需要通入多少电流以及准确的时间点。
• 当今使用的一些流行电机类型离不开这些控制方法，例如，永磁体同步电机 和无刷直流 电机需要
• (PMSM)
• (BLDC)
• 大量的数学计算才能高效运行。微控制器最擅长的通常是复杂计算，而不是精准供电。尽管有些微控制器集成了可提供必要电力的电路，但通常还是需要专用的电源系统。
• 本文中，我们将探讨电机的供电架构和元件。
• 架构
• 在三相交流和电机控制设计中，将电力输送至定子线圈最常用的方法就是使用逆变器（）。在绝大多数三相交流电机设计中，首先将电源电压转换为直流电，然后使用脉宽调制 将直流信号转换为所需的交流频率和振幅。
• BLDC
• 图
• 1
• (PWM)
• 根据电机设计中的拓扑结构和相位
• 图源：nordroden / stock.adobe.com
• AC 24V AC/DC整流器隔离式电源电源保护控制电源隔离式栅极驱动器 DC/AC逆变器电压与电流检测数字隔离控制器网络安全以太网 RS485 USB CAN I/O RS485 RS485振动检测位置检测电机电源数据外部电缆网络安全
• 图：整体电机控制示意图中逆变器的位置。（图源：）
• 1
• Analog Devices
• 数，可以使用各种类型的逆变器。不过，传递信号最流行的方式就是通过三相两电平配置（）。这种情况下，逆变桥包含六个晶体管，每个晶体管上都配有一个反激二极管，在感性负载（如电机）的电源电流迅速降低时，可保护晶体管免受突发电压尖峰的损害。六个晶体管由六个栅极驱动器独立控制，在高频率下完全打开或完全关闭。它们充当准理想开关来调整定子电磁铁的电压，重新生成信号来控制电机的速度。电机的控制方式也与之类似，但不需要初始整流，因为输入电压已经是直流电压。
• PWM
• 图
• 2
• PWM (1)
• BDLC
• 交流电机电源逆变器隔离栅来自控制器 DC总线 V dc栅极驱动 U V W Tº
• 图：逆变级驱动三相电机。（图源：）
• 电源组件
• 和原本被用作逆变器设计中的开关来供电。可在高达的频率下发挥开关功能，但通常更多用于几十频率的应用。它们所采用的制造工艺与控制它们的集成电路的制造工艺相似，这意味着，至少对一些低功耗应用而言，单芯片解决方案是可行的。的其他优点包括高输入阻抗、低导通电阻、低栅极功耗、易于驱动以及更宽泛的安全工作区间。得益于这些特性，非常适合需要低电流密度节能解决方案的应用。但如果电压升高，结温也会随之升高，其内部二极管的反向恢复性能会变差，导致热损耗和开关损耗增加。
• MOSFET
• IGBT
• MOSFET (1)
• 100kHz
• kHz
• MOSFET (2)
• MOSFET (3)
• 在较高的电压和电流下，通常是开关器件的首选。的结构类似于，但在集电极处增加了额外的层，使其能像一样驱动晶体管（）。它们使用低功耗信号轻而易举地驱动晶体管，并在 左右的较低频率下工作。不过由于设计原因，无法采用典型的 工艺制造，这意味着它没有像 那样的集成内部反向恢复二极管。但对于电机控制来说，必须要使用这种二极管，要么外部安装在上，要么作为单独的芯片与封装在一起。外部恢复二极管既有优点也有缺点：它们可以针对特定应用定制，但这样既增加设计成本，又需要额外的空间。
• IGBT (1)
• P+
• PNP
• 图
• 3
• 20kHz
• IGBT (2)
• MOSIC
• PCB
• IGBT (3)
• PCB (1)
• 器件符号等效电路栅极集电极发射极
• 图： 符号和等效电路。集电极端子是晶体管的发送器。（图源：英飞凌）
• 关键参数
• 对于和而言，额定电流和额定尖峰电压是为满足电机负载要求所需的主要规格。除以上规格之外，这两类器件还有二级和三级参数。
• 最重要的二级参数是漏源极导通电阻 () 和栅极电容。更低的导通电阻可以减少电阻损耗，降低器件传导时的压降，因此可直接提高效率。但这并不像看上去那么简单。栅极电容是决定传导通断速度快慢的一率越低。较低的通常具有较大的栅极面积，从而引起栅极电容升高。因此，需要在和栅极电容之间取得平衡，才能获得最佳性能和最低损耗。制造商在数据表中几乎总是以品质因数（，使用公式
• R
• DS(ON)
• 个因素，可以通过公式I=CdV/dt计算得出。尽管有开关频率，栅极处也会出现损耗。开关频率越高，损耗越大，效
• R (1)
• DS(ON) (1)
• R (2)
• DS(ON) (2)
• FOM
• FOM = R × QG计算得出）来体现总价值。
• 对于，通态压降是一个需要考虑的关键指标。该压降同时包括结上的二极管压降和驱动上的压降。与纯功率相反，的通态压降不会低于二极管的阈值。
• P-N
• 选择正确的组件并不像从数据表中选择正确的数字那么简单，因为参数在运行过程中会发生变化。的 和的通态压降都受温度和电流的影响，并且这两类器件在工作时都容易发热。的压降与电流成正比，其随温度的升高而升高。的压降与二极管的压降类似，随电流的对数增加而增加，并与温度保持相对稳定。
• MOSFET
• R
• DS(ON)
• IGBT
• MOSFET (1)
• R (1)
• DS(ON) (1)
• IGBT (1)
• 宽禁带技术革新
• 直到最近，硅和仍是电机的首选供电元件。尽管在许多应用中它们仍然是完全可接受的选项，但由于宽禁带技术的商业化，现在有了更多的选择。过去十年，氮化镓和碳化硅半导体已经进入市场，在几乎所有情况下都可提供优胜于硅晶体管的特性。
• (GaN)
• (SiC)
• 禁带是指电子从价带跃迁至导带（产生空穴）所需的能量。硅的禁带宽度为，而和的禁带宽度分别为和。这三种材料的击穿电场也跟上面的情况类似。为，为，硅为 。这些数字表明，和在维持更高电压方面的能力要比硅高出十倍以上。在实际应用中，这两种宽
• 1.12eV
• SiC
• GaN
• 3.26eV
• 3.39eV
• SiC (1)
• 3.5MV/cm
• GaN (1)
• 3.3MV/cm
• 0.3MV/cm
• GaN (2)
• SiC (2)
• Figure (17)
• 大功率 评估平台
• IMS 3
• Figure (18)
• mouser.cn/gan-systems-ims-3-evaluation-platform
• 禁带材料的开关速度更快，耐受高电压的时间更长，因此效率更高。它们可承受的工作温度也比硅更高 — 约为℃，GaN约为℃，而硅器件仅为℃。仅仅这些优势就意味着宽禁带设计可提供更小巧、更轻便的解决方案，更卓越的性能和更轻松的热管理。
• 600
• 300
• 200
• 虽然和的禁带数字看起来不相上下，但它们的电子迁移率值却大不相同，这对于决定新材料如何用于电源应用影响很大。电子迁移率代表
• 电子在电场作用下穿过导体或半导体材料的快慢程度。的电子迁移率最大，为，硅次之，为 ，则为。
• 2,000cm2/Vs
• 1,400cm2/Vs
• 650cm2/Vs
• 这些数字意味着的开关速度更快，比硅快十倍。设计由于栅极电容极低，因此开关损耗也较低。晶体管改变电源设计的一个绝佳例子就是手机的充电器。在体积缩小的同时，它们的充电能力反而从大约提升到了。因此，可为需要最高效率、高达和的电
• USB
• 11W
• 70W
• GaN (3)
• 650V
• 20kW
• 机应用提供理想的解决方案。
• 另一方面，的开关速度比慢得多，但仍然比硅解决方案快。宽禁带材料还具有其它电力传输优势，如高电压和电流处理能力、高导热性和稳健性。的更高开关频率使其更适合于要求高达约和的高效率和高精度设计。
• SiC
• GaN
• SiC (1)
• 1200V
• 200kW
• 当然，为了获得更好的性能，也需要做一些权衡。宽禁带半导体比和更难驱动，会导致设计时间和复杂性增加。此外，使用宽禁带材料的最重要优势之一就是更快的开关速度允许采用尺寸更小的滤波器组件。
• MOSFET
• IGBT
• 不过电机应用并不广泛使用滤波器，因为电机绕组就可以用来平滑信号。即便是和提供的中等开关速度也能提供近乎完美的波形。和晶体管在运行中也可能遭受反向恢复损失。
• PWM
• 从初始成本来看，和比 和晶体管更便宜，这意味着它们可能是许多成本敏感型应用的更好选择。不过，尽管和晶体管比硅晶体管的价格高，但它们的更高效率可能使得这些解决方案从整个生命周期角度来看更具性价比。 根据应用的不同需要，上述所有类型的晶体管都是完全可以接受的选择。
• GaN (1)
• 事实上，如所示，在水平上下出现显著重叠，所有四种晶体管类型都是可行的选择。当然，和晶体管仍处于早期开发阶段，未来几代的器件在性能上可能继续提升，同时成本也会降低。当然，这并不是说和会裹足不前。例如，最近推出的沟槽式不仅提高了性能，缩小了尺寸，散热性能还更胜一筹。
• 图
• 4
• 100kHz/10kW
• IGBT (1)
• Figure
• 频率 (Hz)功率 (W)
• 图：现代功率半导体的近似应用领域。（图源：）
• Qorvo
• 图源：Jiri Dolezal / stock.adobe.com
• Figure (19)
• EVAL-M5-IMZ120R-SIC
• 电机驱动评估板
• Figure (20)
• mouser.cn/Infineon-evalm5imz120rsic-motor-drive-eval-board
• 电机的运动与定位设计图源：chayantorn / stock.adobe.com
• 到目前为止，我们在本系列中看到的所有不同类型电机都专门用于一个简单的任务：将电能转化为转动机械力。产生的转矩可直接加以利用，也可通过一组齿轮满足负载的特定要求。大多数电机可以根据需要提供正向、反向、加速和减速转矩输出。但更多应用需要其他类型的机械力，而电机也可以满足这些需求。例如，在包装和机器人等应用中，转动力可以转变为提举、放下、滑动或倾斜负载所需的线性运
• 动。机械能也可用于在固定位置之间移动负载。传统电机可以通过附加组件来完成这些任务，但在许多情况下，专用电机设计反而更适合这项工作。
• 线性运动
• 将转动力矩转变成线性力拓宽了电机的应用领域，如制造、包装、交通运输和国防应用。有多种方法可提供线性
• 运动，包括液压、气动和电机。但在大多数应用中，电机解决方案更安全、更高效，且更灵活。
• 在电机的输出中添加一个线性执行器可轻松、快速地将转动力矩转换为线性运动。线性执行器通常采用滚珠丝杠或直线丝杠等装置（）。两者的工作原理类似：转动螺杆将螺母直接向前或向后推动，具体的方向取决于电机的旋转方向。这两种解决方案的不
• 图
• 1
• 同之处在于，直线丝杠有一个类似于螺钉的螺杆，而滚珠丝杠则使用滚珠轴承沿着螺纹滚道滚动。这两项技术各有千秋。例如，滚珠丝杠的摩擦力更小，因此需要更小的转矩即可驱动，而直线丝杠则采用自锁机制，是垂直应用的更佳选择。
• 线性执行器设计通常包含齿轮，这使其适合需要很大力的负载。需要更大力的缺点就是线性执行器往往比其他提供线性运动的方法要慢。另一个缺点是组件更多，需要依赖摩擦来运行，这意味着可能需要定期维护。
• 实现线性运动还有一种替代方法，即采用专为特定目的而设计的电机。直线电机的工作原理与传统电机类似，包含转子、定子、磁极、电磁铁和永磁体。与传统电机一样，直线电机也可以采用不同类型的转子结构，从而提供适合目标应用的特质。直线电机设计最常用的电机类型基于无刷直流 、同步和感应电机。直线电机中的定子为拉开的"展平"状态，而不是其他电机中常见的连续回路（）。直线电机工作时，控制器依次为定子的磁极通电，使永磁体转子沿着定子的长度前后移动。转子通常被做成一个与负载相连接的滑架。为提高灵活性，可针对不同目的（如提供推力或
• (BLDC)
• 图
• 2
• Figure (21)
• 图：加一根滚珠丝杠就可轻松将转动力矩转变为线性运动。电机转动螺杆，从而移动螺母及其承载的负载。（图源：）
• 1
• dizfoto1973/stock.adobe.com
• 直线电机最常用于需要高速度和高精度的直接驱动应用。它们的运动部件更少，这意味着它们非常可靠。不过它们所能产生的力的大小受到定子磁场强度的限制，因此对于需要很大力的应用场景，它们就不像线性执行器那样好用。
• 第二种最近越来越受欢迎的直线电机设计是管状直线电机。在这种设计中，盘状永磁体嵌在一根长管中，定子电磁绕组沿管内布置。这种设计既可提供高速度，也能提供较大的力。由于永磁体和定子线圈产生的力垂直于磁场和电流，所以管状直线电机的效率很高。
• 与使用液压和气动方法提供线性运动相比，线性执行器和直线电机都更
• 精确、更高效、用途更广。随着线性运动的应用变得越来越复杂和苛刻，这些优势愈发重要。由于不依赖于高压气体或液体，它们也往往更安全、更环保。不过仍然有一些场合适合使用气
• Figure (22)
• 2Wikipedia/Schnibbi678, Linearmotorprinzip, CC BY-SA 3.0
• ：直线电机基本上是展平了的传统电机。（图源：
• ）
• 动和液压线性运动方法，例如危险和易燃区域通常安装气动装置，因为空气的危险性相比电或液体小得多，同时，液压线性执行器非常适合用于同时需要较大的力和高速度的应用。
• 定位
• 电机也可以部署在需要高精度定位的应用中，如自动贴片机、打印机、机器人和电动工具。传统的电机设计也可用于定位应用，但其精确度往往逊色于专为此目的而设计的电机。除了上文提及的定位直线电机，还有两种类型的电机广泛用于定位应用：步进电机和伺服电机。
• 步进电机
• 步进电机是本系列前几篇文章重点介绍的电机的改良版本，专为精准定位而设计。这些电机通常基于无刷直流电机、变磁阻电机和混合同步电机。这些电机可成为有效的定位设备，但其准确度取决于所使用的角传感器品质。步进电机旨在提供最大保持转矩，而传统电机则旨在提供连续运动。为获得最大保持转矩，定子的电磁铁绕组匝数更多，以提供更强磁场。但是，更强磁场有一个缺点，那就是会产生更大的反电动势，这意味着设计的最大速度会下降。无论负载大小如何，绕组始终提供最大电流，因此会产生热量。步进电机通常必须经过专门设计，
• Figure (23)
• 图：步进电机分解图，显示转子上让电机能够用于更加精确定位的诸多极点。（图源：）
• 3
• Madalin/stock. adobe.com
• 以确保过多的热量不会引起转子中的磁铁退磁。
• 步进电机和无刷直流电机设计之间的另一个主要物理区别在于，步进电机转子的极数更多（）。极数越多，电机在旋转周期中的步进就越多。步进数通常在步（每步度）到步（每步度）不等。然而，有利亦有弊，极数增加致使电机成本增加，可用转矩数量减少，而且步进电机转矩在更高的速度下会自然下降。理论上，由于控制器始终清楚转子的位置，不需要反馈回路，因此步进电机可作为一个开环系统运行。但在实际应用中，由于可能出现超速打滑、负载和其他问题（如振动、温度变化、负载变化和机械磨损），步进应用通常使用传感器来检测转子位置。或者，利用复位模
• 图
• 360°
• 12
• 30°
• 200
• 1.8°
• 步进电机以小增量向前或向后移动；到达目标位置时，只要定子线圈保持通电且没有发出从控制器移动的进一步指令，就会停留在原地。而控制是通过脉冲告知电机向前或向后移动的具体步进数来实现的。由于转子以固定步进或旋转比例而非连续运动的方式行进，因此它有一个"不稳定"的运动，特别是对步进数较少的设备而言。步进电机也可以与线性执行器配合使用，以提供精确线性运动应用。
• 目前已开发出一种所谓的"微步进"技术，不需要昂贵复杂的转子即可提供高分辨率的步进。这项技术也可以帮助平稳电机运动。微步进采用信号来控制绕组中的电流，允许转子在两极之间停止，从而增加可用步进数。通过增加一个绕组电流的同时减少另一个绕组的电流，使两个绕组的电角度相差来实现这一点（）。该技术可用于在每个完整步进之间引入多达个中间微步进。因此，一个步的电机可能含有个微步进。微步进在某些应用中也可用于替代齿轮，然而，尽管这不会引入反向电动势或降低系统速度，但不能像齿轮那样可以成倍增加转矩。还存在引入的步
• PWM
• 90°
• 图
• 4
• 256
• 200
• 51200
• 输出电流 A A输出 B输出 B微步进电流波形步进输入
• 图：电流驱动器提供一系列呈正弦形微步进的小步进。（图源：）
• Texas Instruments
• 进过小而超出系统处理能力的危险。
• 伺服电机
• 当微步进产生的转矩不足以克服负载
• 的摩擦力矩时，就会发生这种情况。 在需要精确定位、紧密速度控制和低速转矩的应用中，步进电机表现出色。
• 但对于需要更大转矩和更高速度的应用，如重型机器人和加工，伺服电机反而是更好的解决方案。伺服电机并不是单一类型的设备，因为它们可设计为拥有能够进行闭环控制的大多数交流或直流电机。伺服电机也可用于线性运动、连续转动应用以及定位控制。
• CNC
• PD60-4H-1461-CoE
• 单轴步进电机
• mouser.cn/adi-pd60-4h-1461-coe-motor
• 最基本的伺服系统包含电机、控制电路，还有电位计等简易反馈装置。与步进电机不同，伺服电机始终是闭环系统。伺服电机设计从极其简单到高度复杂不等，其中极其复杂的数字算法可为应用提供超精细的控制，例如多轴工业机器人。
• 压电电机
• 压电电机与本文前面讨论的所有电机都截然不同。这种类型的电机采用压电材料，这是一种接触电流时会产生机械应力的物质。压电材料的特性已被人们充分了解，这使得它们可以得到精细加工，从而在通电时提供可预测且可控的直线或旋转运动。压电电机有几种流行设计，其中包括一种性能与步进电机非常相似的设计。压电电机可抗电磁干扰，通常用于无法使用其他电机的环境。其优势包括高精度定位、无电力状态下的稳定性、可制造出极小尺寸与异形设计，以及高耐热性。
• 结语 (2)
• 考虑电机的运动与定位设计时，所涉及的远不止是将电能转换为旋转力。从线性执行器和电机的精度与效率到步进电机和伺服电机的精确控制，再到压电电机的独特功能，几乎每一种应用都能找到合适的解决方案。这些选项让从制造业到机器人等各行各业中的系统更加先进、可靠且适应能力更强，彰显了专用电机在改进运动控制方面的重要作用。随着对运动和定位的精度和多功能性要求越来越高，这些专业电机诠释了电机技术的演进，确保不论什么应用，都能找到一款符合要求的电机。
• Figure
• Figure (24)
• Figure (25)
• 50V有刷和步进电机驱动器
• mouser.cn/toshiba-tb67h48xfng-tb67s58xfng-driver-ics
• 通过隔离与感测提升电机效率
• Figure (26)
• 图源：
• aicandy/stock.adobe.com
• 到目前为止，关于电机控制的本系列文章重点关注的都是电机结构和功能以及电机控制和供电的方法。然而，要设计出一套能让电机高效率运行，同时又保持安全的完整系统，光是这些特性还不够。对电机驱动系统而言，隔离和位置感测也是非常重要的。
• 隔离
• 隔离通过在电流路径中创建一个物理断路来保护电路（），这对于大多数电机的运行而言不可或缺。这些电机使用高电压工作，通常由以桥配置排列的提供。连接到正极的两个也连接到负载而非接地，而那些栅极则通过栅极驱动器连接到控制电子设备。如果没有采取隔离措施，电源电压就会直接通过
• 图
• 1
• H
• MOSFET
• MOSFET (1)
• MOSFET (2)
• 和控制电路接地，从而导致短路。
• 电机会产生大量电气噪声，工程师往往必须要专门挑选一些系统元器件来减轻这些噪声，或者至少对敏感元器件进行保护。电机设计中的隔离功能旨在保护敏感元器件免受噪声和电路不同区域电压差的影响。
• 当使用更小的半导体工艺来提高电路
• 隔离栅极驱动器电机栅极驱动经隔离的低电压信号低电压信号 MOSFET或 IGBT输出电机控制器
• 图：为了安全和电路功能，电机系统的电流路径通常需要隔离。（图源：贸泽电子）
• 1
• 效率时，控制端的电压不断降低。这种趋势导致许多微控制器使用的是甚至更低的电压。同时，宽禁带半导体的引入，也使得电路的功率侧演变到采用更高的电压和更高的开关频率，以便提高效率、减小系统尺寸。如果电路的低压部分没有得到高压侧的充分保护，电压尖峰和浪涌就可能会传播到低压侧，造成安全隐患、数据损坏和元器件永久损坏。
• 1V
• 隔离电路区域的方法有多种，合适的解决方案取决于每一个应用的大小、性能、寿命和可靠性要求。这些解决方案包括继电器、光隔离、电容隔离和磁隔离。
• 继电器
• 机械继电器是保护敏感电路免受高压异常的最简单方法之一。继电器设有可物理断开和连接的触点，从而实现
• 电路隔离，提供高水平保护。继电器还能切断大功率电路。然而，鉴于其机械属性，它们会随着时间的推移而老化，需要定期更换。继电器的反应动作也较慢，对于现代电机控制所使用的快速开关电路而言，继电器并不是理想的选择。
• 光隔离
• 光隔离是一种将电信号转换成光子再转换回电子以实现隔离的技术。在光隔离器件（也称为光耦合器）中，产生代表控制信号的光子，光敏器件 （如光电晶体管）将其转换回电信号。这两个光学元器件封装在单个封装中，中间由透明、不导电的隔档隔开。如果导线不多的话，这些封装可以做得非常小，从而提供紧凑的解决方案。在同一个封装中放置多个光耦合器并非易事，因为其中一个光耦合器发出的光会干扰相邻的器件。
• LED
• 光耦合器可以提供高达数千伏的隔离。传输数据的速度受到开关速度的限制，但今天，光耦合器的工作速度可达每秒数十兆比特（），这足以满足各种电机设计的要求。
• Mbps
• 然而，光耦合器也有一些缺点。它们的价格可能相对昂贵，并且需要外部偏压，因而效率低于其他隔离技术。此外，大电流和高温会导致原子从的活跃区域扩散，产生减少发光量的缺陷，导致性能随着时间推移而下降。
• 电容隔离
• 顾名思义，电容器也可用于隔离目的。这些器件由两块导电板制成，中间用介电材料隔开。电容器将一个导体上的电压耦合到另一个导体上，从而起到变压器的作用。电容隔离通常用于高频率电路，它们的工作频率可能高达数千兆赫兹。然而，它们只能提供几
• 十伏范围内的低水平保护。它们的效率也不高，而且对湿度和温度很敏感。
• 磁隔离
• 磁隔离的工作原理类似于变压器，由两个线圈和一个磁芯构成。两个线圈都绕在磁芯上，但相互之间电气隔离。当初级线圈通电时，磁芯中就会产生磁通，导致次级线圈产生电压。磁隔离可以保护电路免受以上的浪涌影响，并提供比光隔离更高的带宽。磁隔离装置非常坚固耐用，使用寿命较长。过去，它们的主要缺点之一是占用空间较大。然而，今天的技术已经将其缩小到足以让单个封装就可以隔离多个通道。
• 1000V
• Figure (27)
• 图：分解器采用一个初级绕组和一对成正交的次级绕组。它需要交流励磁和解调，但精度高、坚固耐用，并能在上电时提供绝对位置信息。（图源：；贸泽电子重新绘制）
• 2
• Analog Devices, Inc.
• 感测
• 电机解决方案几乎都集成有反馈回路，为控制器提供有关转子位置、速度和加速度的信息，从而实现精确、高效的控制。测量这些数据有多种不同方法，合适的解决方案取决于每种应用
• 的需求。例如，数控机床可能需要高精度的测量值，而车窗电机可能就没有那么高的数据精度要求。
• 分解器
• 分解器（旋转变压器）是测量转子位
• Figure (28)
• MASTERGAN GaN
• 半桥高压驱动器
• Figure (29)
• mouser.cn/stm-mastergan-system-in-package
• Figure (30)
• 图：这张磁编码器图片显示了转子上的磁极和执行读数的传感器。 （图源：；生成）
• 3
• aicandy/stock.adobe.com
• AI
• 置最精确的方法之一。它们利用变压器原理，采用固定到转子上或内置于转子中的单个初级线圈结构。初级线圈与两个互成角的次级绕组配对 （）。当交流电（）为初级绕组通电时，次级输出将因其位置而异相，从而产生与转子角度成正比的不同峰值电压。然后，初次信号将用作基准，对次级读数进行解调。依据这些信息可以计算出轴角的高分辨率测量值。由于初级和次级绕组之间没有物理接触，因此，分解器非常坚固可靠。但另一方面，它们也可能相对昂贵、复杂且耗电。
• 90°
• 图
• 2
• AC
• 编码器
• 有好几种类型的编码器都可用于提供位置反馈。它们各有千秋。
• 光学编码器
• 光学编码器包含一个和两个互成 角的光电传感器。和光电传感器之间由一个随转子旋转的玻璃或塑料圆盘隔开。圆盘上有不透明和透明交替的线条或狭槽，这些线条或狭槽从中心向外辐射。线条或狭槽的数量决定了编码器的分辨率。圆盘旋转时，传感器可检测到明暗图案，这些图案会被光传感器转换成脉冲流。然后，电路将这些脉冲流转换成显示位置和方向的两个比特流。这种编码器只能提供运动的增量指标。要确定绝对位置，可以使用第三个光电传感器作为参
• LED
• LED (1)
• 考。
• 由于光学编码器依赖于视觉图像，因此任何导致狭槽模糊的污染或堵塞都会削弱编码器的性能。电机振动会损坏圆盘，极端温度也会引起圆盘扭曲变形。此外，也会随时间推移而出现性能退化。最后，光学编码器的功耗也大于其他反馈感测方法。尽管存在这些缺点，光学传感仍然是位置感测常用的选择之一。
• 磁编码器
• 磁编码器采用圆周上有多个磁极的圆盘。传感器（如检测电压变化的霍尔效应装置或检测磁场变化的磁阻装置）彼此等距离放置，并在圆盘旋转时输出正弦波。磁极数和传感器数决定了编码器的初始分辨率，然后由电路决定转子的位置。这种技术提供的是增量读数。工程师可以通过为每个测量位置分配数字代码来获得绝对读数。
• 磁编码器坚固耐用，能够承受电机的冲击和振动（）。它们的工作不受油污、灰尘、湿气等污染物的影响。然而，它们容易受到极端温度以及电机引起的磁干扰的影响。它们提供的分辨率和精度也往往低于其他编码器，不过现代技术已经大大提高了它们的性能。
• 电容式编码器
• 电容式编码器使用转子、发射器和接收器。转子包含正弦模式，发射器的参考信号经过了可预测的调制。该编码器可检测电容－电抗的变化，并将其转换为旋转运动的增量。电容式编码器能抵御环境污染，并具有出色的抗振性能和耐受温度变化性能。此外，它们还不受电气干扰和噪声的影响，能够提供高精度和高分辨率。
• 感应电阻器
• 电流感应是计算转子位置的另一种方法。这是一项简单的技术，就是在每个电机绕组上串联一个电阻器。电阻器两端的电压由电机控制器感应和监
• 测。电阻值的选择通常以通过电阻的最大电压在左右为标准。该值通常非常低，以尽量减少压降和耗散，同时不影响回路的稳定性。
• 1V
• 结语 (3)
• 本文重点介绍了电机系统运行所需的两大主要功能－隔离和感测，但电机设计还涉及到更多部件，它们都发挥着各自的作用。即便是最基本的元器件和连接器，工程师也必须谨慎选择，这样才能解决电机的干扰和振动问题，以及快速开关大电压时出现的高强度电磁干扰 () 问题。
• EMI
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• 智能功率器件
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