將無傳感器矢量控制與BLDC和PMS電機結合使用，提供精確運動控制

機器人、無人機、醫療設備和工業系統等應用對精確運動控制的需求正在增長。無刷直流電機 （BLDC） 和交流驅動永磁同步電機 （PMSM） 可以提供所需的精度，同時滿足緊湊外形對高效率的需求。然而，與易于連接和運行的有刷直流電機和交流感應電機不同，BLDC 和 PMSM 要復雜得多。

例如，特別是無傳感器矢量控制（也稱為磁場定向控制或FOC）等技術，具有出色的效率以及消除傳感器硬件的優勢，從而降低成本并提高可靠性。設計人員面臨的問題是，無傳感器矢量控制實施起來很復雜，因此使用無傳感器矢量控制會延長開發時間，增加成本，并可能錯過上市時間窗口。

為了解決這一難題，設計人員可以求助于已經內置無傳感器矢量控制軟件的開發平臺和評估板，使他們能夠專注于系統設計問題，而不會陷入控制軟件編碼的細微差別中。此外，這些開發環境包括將所有電機控制器和電源管理硬件集成到一個完整的系統中，從而加快了上市時間。

本文簡要介紹了精密運動控制的一些需求，并回顧了有刷直流、交流感應、BLDC 和永磁同步電機之間的差異。然后總結矢量控制的基礎知識，然后介紹[德州儀器]、[英飛凌科技]和[瑞薩電子]的幾個平臺和評估板，以及促進精密運動控制系統開發的設計指南。

精密運動控制應用示例

無人機是復雜的運動控制系統，通常使用四個或更多電機。需要精確和協調的運動控制，使無人機能夠懸停、爬升或下降（圖 1）。

圖 1：無人機通常使用四個或更多電機，通常是 BLDC 或 PMSM，以每分鐘 12，000 轉 （RPM） 或更高的速度旋轉，并由電子速度控制器 （ESC） 驅動。此示例顯示了使用無傳感器控制的無刷電機的無人機中的 ESC 模塊。（圖片來源：德州儀器）

要懸停，推動無人機向上的旋翼的凈推力必須平衡，并且完全等于將其向下拉動的重力。通過同樣增加旋翼的推力（速度），無人機可以直接向上爬升。相反，減小旋翼推力會導致無人機下降。此外，還有偏航（旋轉無人機）、俯仰（將無人機向前或向后飛行）和滾動（將無人機向左或向右飛行）。

精確和重復的運動是許多機器人應用的特征之一。固定式多軸工業機器人必須在三維空間中傳遞不同量的力，以便移動不同重量的物體。機器人內部的電機在精確的點提供可變的速度和扭矩（旋轉力），機器人的控制器使用這些點來協調沿不同軸的運動，以實現精確的速度和定位。

固定式多軸工業機器人必須在三維空間中傳遞不同量的力，以便移動不同重量的物體，并與裝配線上的其他機器人協調其活動。

對于輪式移動機器人，可以使用精確的差速器驅動系統來控制運動的速度和方向。兩個電機用于提供運動，以及一個或兩個腳輪以平衡負載。兩個電機以不同的速度驅動以實現旋轉和方向變化，而兩個電機的相同速度導致直線運動，無論是向前還是向后。雖然與傳統轉向系統相比，電機控制器更復雜，但這種方法更精確，機械更簡單，因此更可靠。

電機選擇

基本的直流電機和交流感應電機相對便宜且易于驅動。它們廣泛用于從真空吸塵器到工業機械、起重機和電梯的廣泛應用。然而，雖然它們價格低廉且易于驅動，但它們無法提供機器人、無人機、醫療設備和精密工業設備等應用所需的精確操作。

簡單的有刷直流電機通過使用換向器和電刷與旋轉協調機械地切換電流方向來產生扭矩。有刷直流電機的缺點包括由于電刷磨損以及產生電氣和機械噪音而需要維護。脈寬調制（PWM）驅動器可用于控制旋轉速度，但由于有刷直流電機固有的機械特性，難以實現精確控制和高效率。

BLDC 消除了有刷直流電機的換向器和電刷，并且根據定子的繞組方式，它也可以是 PMSM。定子線圈梯形纏繞在 BLDC 電機中，產生的反電動勢 （EMF） 呈梯形波形，而 PMSM 定子正弦纏繞并產生正弦反電動勢 （E 貝姆福 ）（圖3）。

圖 3：永磁同步電機產生正弦 E 貝姆福 ，而 BLDC 生成梯形 E貝姆福浪 ~~ 。（圖片來源：德州儀器）

BLDC 和永磁同步電機中的扭矩是電流和反電動勢的函數。BLDC 電機由方波電流驅動，而 PMSM 電機由正弦電流驅動。

無刷直流電機特點：

• 通過六步方波直流電流更易于控制* 產生顯著的轉矩脈動* 成本和性能低于 PMSM* 可使用霍爾效應傳感器或無傳感器控制實現

永磁同步電機特點：

• 使用三相正弦PWM進行更復雜的控制* 無轉矩脈動* 比 BLDC 更高的效率、扭矩和成本* 可通過軸編碼器或無傳感器控制實現

什么是病媒控制？

矢量控制是一種變頻電機驅動控制方法，其中三相電動機的定子電流被識別為兩個可以用矢量可視化的正交分量。一個組件定義電機的磁通量，另一個組件定義扭矩。矢量控制算法的核心是兩個數學變換：克拉克變換將三相系統修改為兩坐標系，而公園變換將兩相穩態系統向量轉換為旋轉系統向量及其逆向量。

使用克拉克變換和帕克變換可將可控制的定子電流帶入轉子域。這樣做允許電機控制系統確定應提供給定子的電壓，以在動態變化的負載下最大化扭矩。

高性能速度和/或位置控制需要實時精確地了解轉子軸的位置和速度，以便將相位激勵脈沖與轉子位置同步。該信息通常由傳感器提供，例如連接到電機軸上的絕對編碼器和磁性旋轉變壓器。這些傳感器有幾個系統缺點：可靠性較低、易受噪聲影響、成本和重量增加以及復雜性較高。無傳感器矢量控制消除了對速度/位置傳感器的需求。

高性能微處理器和數字信號處理器（DSP）使現代高效的控制理論能夠體現在先進的系統建模中，確保任何實時電機系統的最佳功率和控制效率。預計由于微處理器和DSP的計算能力提高和成本下降，無傳感器控制將幾乎普遍取代傳感器矢量控制，以及簡單但性能較低的單變量標量伏特/赫茲（V / f）控制。

驅動用于工業和消費類機器人的三相永磁同步電機和無刷直流電機

為了解決矢量控制的復雜性，設計人員可以使用現成的評估板。例如，德州儀器 （TI） 的 [DRV8301-69M-KIT] 是基于 DIMM100 controlCARD 的主板評估模塊，設計人員可以使用該模塊開發三相 PMSM/BLDC 電機驅動解決方案（圖 4）。它包括具有雙通道分流放大器和降壓穩壓器的 [DRV8301]三相柵極驅動器，以及支持 InstaSPIN 的 Piccolo [TMS320F28069M]微控制器 （MCU） 板。

圖 4：設計人員可以使用 DRV8301-69M-KIT 電機套件開發三相 PMSM/BLDC 電機驅動解決方案，該套件包括 DRV8301 和支持 InstaSPIN 的 Piccolo TMS320F28069M MCU 板。（圖片來源：德州儀器）

DRV8301-69M-KIT 是基于 InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 德州儀器 （TI） 技術的電機控制評估套件，用于旋轉三相永磁同步電機和 BLDC 電機。借助 InstaSPIN，DRV8301-69M-KIT 允許開發人員快速識別、自動調諧和控制三相電機，從而提供“即時”穩定且功能強大的電機控制系統。

DRV8301-69M-KIT 與 InstaSPIN 技術相結合，可提供高性能、高能效、經濟高效的無傳感器或支持編碼器傳感器的 FOC 平臺，可加快開發速度，加快產品上市時間。應用包括用于驅動泵、閘門、升降機和風扇的低于 60 伏和 40 安培 （A） 的同步電機，以及工業和消費類機器人和自動化。

DRV8301-69M-KIT 硬件特點：

• 三相逆變器基板，帶接口，可接受 DIMM100 控制卡* DRV8301 三相逆變器集成電源模塊（帶集成 1.5 A 降壓轉換器）基板，支持高達 60 伏和 40 A 連續電流* TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION卡* 能夠與 MotorWare 配合使用 TMDXCNCD28054MISO（單獨出售）和 [TMDSCNCD28027F]+ 外部仿真器（單獨出售）

High-performance, high-efficiency PMSM and BLDC motor drives

The [EVAL-IMM101T]from Infineon Technologies is a full-featured starter kit that includes an [IMM101T Smart IPM] (integrated power module) that provides a fully integrated, turnkey, high-voltage motor drive solution that designers can use with high-performance, high-efficiency PMSM/BLDC motors (Figure 5). The EVAL-IMM101T also includes other necessary circuitry required for “out-of-the-box” evaluation of IMM101T Smart IPMs, such as a rectifier and EMI filter stage, as well as an isolated debugger section with USB connection to a PC.

Figure 5: The IMM101T eval board is a complete solution including a motion control engine (MCE 2.0), gate driver, and 3-phase inverter capable of driving PMSM and BLDC motors using sensorless FOC. (Image source: Infineon Technologies)

The EVAL-IMM101T was developed to support designers during their first steps developing applications with an IMM101T Smart IPM. The eval board is equipped with all assembly groups for sensorless FOC. It contains a single-phase AC connector, EMI filter, rectifier and three-phase output for connecting the motor. The power stage also contains source shunt for current sensing and a voltage divider for DC link voltage measurement.

英飛凌的 IMM101T 采用緊湊的 12 x 12 毫米 （mm） 表面貼裝封裝，為 PMSM/BLDC 驅動系統提供不同的控制配置選項，最大限度地減少了外部元件數量和印刷電路板 （PC 板） 面積。該封裝經過熱增強，無論是否使用散熱器，其性能都很好。該封裝在封裝下方的高壓焊盤之間具有 1.3 mm 的爬電距離，以簡化表面安裝并提高系統的穩健性。

IMM100 系列集成了 500 伏 FredFET 或 650 伏 CoolMOS MOSFET。根據封裝中采用的功率 MOSFET，IMM100 系列適用于額定輸出功率為 25 瓦 （W） 至 80 W、最大直流電壓為 500 V/600 V 的應用。在 600 伏版本中，Power MOS 技術的額定電壓為 650 伏，而柵極驅動器的額定電壓為 600 伏，這決定了系統的最大允許直流電壓。

24 伏電機控制評估系統

24 V PMSM/BLDC 電機驅動器的設計人員可以求助于瑞薩電子的 [RTK0EM0006S01212BJ] 電機控制評估系統 [RX23T]微控制器（圖6）。RX23T器件是32位微控制器，適用于單逆變器控制，內置浮點單元（FPU），可用于處理復雜的逆變器控制算法。這有助于大大減少軟件開發和維護所需的工時。

瑞薩電子24伏電機控制評估系統圖片

圖 6：瑞薩電子用于 RX24T 微控制器的 23 V 電機控制評估系統包括一個逆變器板，用于驅動評估包中包含的 PMSM。（圖片來源：瑞薩電子）

此外，由于內核的原因，軟件待機模式（具有RAM保留）消耗的電流僅為0.45微安（μA）。RX23T 微控制器的工作電壓范圍為 2.7 至 5.5 V，在引腳排列和軟件級別與 [RX62T] 系列高度兼容。該套件包括：

• 24伏逆變器板* 永磁同步電機控制功能* 三分流電流檢測功能* 過流保護功能* 用于 RX23T 微控制器的 CPU 卡* USB 迷你 B 線 * 永磁同步電機

結論

BLDC 和 PMSM 可用于提供緊湊高效的精密運動控制解決方案。將無傳感器矢量控制與 BLDC 和 PMS 電機結合使用，增加了消除傳感器硬件的優勢，從而降低了成本并提高了可靠性。然而，在這些應用中，無傳感器矢量控制可能是一個復雜且耗時的過程。

如圖所示，設計人員可以轉向帶有無傳感器矢量控制軟件的開發平臺和評估板。此外，這些開發環境包括將所有電機控制器和電源管理硬件集成到一個完整的系統中，從而加快了上市時間。