為汽車系統選擇最佳電機組件和算法

除了電動汽車 (EV) 用于推進的多千瓦交流牽引電機外，還有許多其他輔助電機需要高效、精確、安靜和可靠地驅動。然而，許多供應商習慣于皮帶驅動或液壓驅動系統，還有一些供應商正在考慮將這些輔助系統的設計引入內部。

然而，事情并沒有那么簡單：驅動這些電機需要創新的電機位置傳感和驅動算法方法，以及對驅動電路和組件的謹慎選擇（圖 1）。

圖 1：EV 電機需要創新的電機位置傳感和驅動算法方法，以及驅動電路和組件的仔細選擇。

輔助電機用于在車輛中運行輔助功能，并且在歷史上已經通過來自內燃機或液壓系統的能量從皮帶上驅動。但在現代電動汽車中，交流壓縮機、流體泵、風扇、鼓風機、渦輪增壓器，甚至是農用設備或叉車上的專用工具都需要由電動機驅動（圖 2）。這些應用程序中的大多數在性質上都非常相似。它們通常包括低壓總線（12、24 或 48 V）和中低電流（<5 A 至 50 A）。

圖 2：電動汽車中的主電機往往受到所有關注，但還有許多其他輔助電機需要高效、精確、安靜和可靠地驅動。

電機用于在不同負載下控制可變速度或轉矩。盡管出于歷史原因，有些人可能仍然使用霍爾效應傳感器進行換向，但幾乎所有這些傳感器都用于不需要傳感器的應用——如果開發人員具有適當的硬件和軟件專業知識的話。

MOSFET：關鍵驅動組件

MOSFET 是用于為三相逆變器系統中電機的每一相供電的組件。由于 FET 寄生的高閾值電壓和大量電容（通常 >100 pF），必須使用驅動器 IC（柵極驅動器）來驅動 MOSFET 的柵極。用于輔助三相電機系統的現代柵極驅動器集成了許多對整個系統的可靠性和性能很重要的特性。這些基于保護、可配置性、材料構建/電路板尺寸減小和電機控制性能。

由于 MOSFET 是為三相供電的關鍵組件，因此它們是最需要保護的。當今可用的行業領先的柵極驅動器應通過集成 Vds 和 Vgs 監控外部 FET、片上熱測量、用于監控電流的集成分流放大器、電源監控來為整個系統提供多層保護。和過電壓和擊穿保護。

電機驅動波形注意事項

三相逆變器的開關需要由數字邏輯控制，通常是可編程微控制器 (MCU)，以調節電機的扭矩或速度，同時最大限度地提高效率。在電機上使用霍爾效應傳感器可以相當簡單地使用六步（梯形）換向控制技術控制無刷直流 (BLDC) 電機，但數字邏輯資源有限，例如非常小的 MCU 甚至是硬編碼的 ASIC .

這種六步方法在扭矩效率低下存在一些限制：

六步梯形開關僅在六個方向中的一個方向上產生定子磁場，而如果定子磁場可以在與不斷移動的轉子磁場的特定同步方向上產生，則電機效率將最大化。

這六種狀態之間的切換會導致電機扭矩的波動——瞬間降低，然后進行校正。這會影響速度控制的質量并影響可聽噪聲。

動態性能（調整扭矩產生以滿足瞬時負載要求的能力）會受到影響。

電機纏繞以產生正弦反電動勢電壓的效率進一步降低；當使用正弦波而不是方波驅動時，大多數電機運行效率更高。

對于非常簡單的 EV 電機應用，BLDC 方法可能就足夠了。但對于其他人來說，這些限制可能會很嚴重。一種對大多數此類電機效果更好的方法稱為磁場定向控制 (FOC)。在 FOC 中，產生的定子磁場與轉子磁場定向并同步，從而最大限度地產生扭矩。定子狀態之間的過渡是平滑的，消除了轉矩脈動，提高了系統的動態性能。電機相位看到的電壓是正弦曲線，從而提高了效率。FOC 并不比六步 BLDC 復雜得多。它測量至少兩個相電流而不是一個總線電流，它進行額外的數學計算，采用額外的比例積分 (PI) 控制器，并為脈寬調制 (PWM) 生成進行了更多計算。

但是，存在轉子傳感器的問題。六步 BLDC 中使用的霍爾傳感器無法為 FOC 提供足夠的轉子磁場定位精度。此外，霍爾傳感器由于其低可靠性和高系統故障率而具有更多的前期和生命周期成本。此外，由于機械限制，某些應用根本無法使用霍爾傳感器。

一種解決方案可能是使用不同類型的轉子磁傳感器。用于高精度伺服驅動器的數字編碼器和用于 EV 推進電機的模擬旋轉變壓器都具有 FOC 所需的分辨率。然而，與簡單的霍爾傳感器相比，它們既昂貴又不實用?；蛘?，由于機械限制，它們無法安裝。唯一的解決方案是無傳感器 FOC。

無傳感器 FOC 實用化

無傳感器 FOC 依靠軟件算法根據逆變器中的電流和/或電壓來估計轉子磁場位置。無傳感器轉子位置估計器的理論化、開發和使用已超過 25 年，但其實際實施僅限于那些在開發所需專業知識方面進行大量投資的公司。這些公司在交流驅動器、工業電機控制、一些先進的電器和汽車領域擁有強大的背景。這種專業知識一直是先決條件，因為算法和控制器調整很難在真實世界條件下的真實環境中工作。

InstaSPIN-FOC 是一種在 EV 及其他領域擴大無傳感器 FOC 采用的獨特方法。這采用了一種創新的自調整算法，可立即為任何三相電機提供強大的無傳感器 FOC。

這種電機控制技術使 EV 設計人員——即使是那些電機控制經驗有限的設計人員——能夠在他們的 EV 應用中識別、調整和完全控制任何類型的三相、變速、無傳感器、同步或異步電機控制系統。分鐘。

結論

EV 的主推進電機與各種輔助電機相輔相成，這些輔助電機需要高效、低成本、小尺寸的驅動方案，并注重可靠性、噪音和精度。這推動了高級算法的發展，以克服經典 BLDC 電機的一些限制。因此，無傳感器 FOC 正在成為滿足 EV 電機驅動要求的解決方案，但它需要很容易被仍然從皮帶或液壓驅動系統轉移的供應商所適應。

審核編輯：湯梓紅