車載轉換器與馬達控制MCU應用指南

　　沒有內燃發動機的全電動汽車需要安全、具成本效益和高容量的儲能系統。高效的軟件算法、功能強大的微控制器和高效馬達能大幅地利用現有的能源，高整合度有助于實現更精簡和低成本的馬達控制系統。專為混合動力汽車和電動汽車而設計新一代高整合度MCU包括能產生馬達控制信號的定時結構以及各種I/O端口和接口。

　　圖1顯示了混合動力汽車和電動汽車的廣泛分類?；旌蟿恿ζ嚭碗妱悠嚨暮诵囊厥莻鲃酉到y中的馬達，該馬達在混合動力汽車中與傳統的內燃機部署在一起，而在電動汽車中則作為獨立的動能來源。選擇馬達需要仔細分析尺寸、重量、可靠性、耐用性、所需扭矩和整體效率。

　　圖1：混合動力與電動汽車的分類圖。

　　適用的馬達有兩個基本類型。一種是異步馬達，這種馬達耐用且價格合理，因為它們不需要使用稀土元素制成的磁鐵。其特性參數可以透過軟件算法得到控制，并且不需要維護。這種馬達效率略低于同步馬達，在啟動時具有較低的扭矩。而缺點則是效率略低，約為90％，且重量更重。

　　另一種適用馬達是永磁同步馬達（PMSM），具有高轉矩、緊密的尺寸和近94%的高效率。同步電動機由于需要使用稀土元素制造的永久性磁鐵，因而成本較高。異步馬達和永磁同步馬達的無刷版本都不存在電刷損耗的問題。永磁同步馬達提供更佳尺寸/力矩比和更高效率，也是目前電動和混合動力汽車傳動系統的首選。

　　控制

　　如前所述，上述兩種馬達都有無刷版本。雖然這種無刷馬達需要進行更多的整流，卻能夠提供安全、高效的控制，而這是傳動系統中基本且首要的。目前的挑戰是實現馬達、電力電子、控制單元（微控制器）和控制軟件的完美平衡。使用的算法必須適應各自的馬達和應用，使電子控制器在任何時候都能實現優化馬達整流。如果不能正確適應，可能會導致不良的影響，如不規則的執行和過大的噪音，都能給效率帶來某種程度的負面影響。馬達控制包含針對不同應用的各種控制算法。

　　基于傳感器的轉子位置檢測可由各種感應系統實現。一般情況下，檢測轉子的位置對精確的馬達控制是至關重要的。作為一個重要的組成部份，轉子位置傳感器對馬達系統的性能和效率有著顯著的影響?；魻栁恢脗鞲衅骰诨魻栃?，透過改變載流導體周圍的磁場誘發電壓。在轉子磁環和黏附在轉子上的傳感器裝置幫助下，霍爾效應傳感器成為檢測角度便捷而便宜的方法。磁極和霍爾組件的數量越多，分辨率和精確度就越高，也越容易受磁場干擾。

　　增量編碼器是一款常用傳感器，在眾多設計中都有廣泛應用，具有機械和光學掃描特性，可以確定目前的角位置。測量角度時，增量編碼器必須基于零位置或參考位置。對微控制器而言，實際的角度測定只涉及檢測旋轉方向和運算脈沖發散?？梢酝高^簡單測量兩個脈沖之間的時間間隔來運算角速度。對電磁干擾的非感應性是非常有益的；相反，任何機械摩擦損耗和污垢的易感性，在光學系統中都是不利的。

　　分解器

　　分解器是一款在汽車產業界被普遍使用的堅固傳感器，不受磁場干擾和污垢影響，而且在角度檢測過程中不受摩擦損耗的影響。它由一個永久連接于馬達軸（馬達旋轉器）的輪子和一個永久附著于馬達外殼的環形定子組成。該定子至少包含一個勵磁線圈和兩個傳感器線圈。透過增加極對數可以實現更高的分辨率。

　　圖2顯示的就是分解器。勵磁線圈配備模擬正弦信號。該模擬信號透過磁耦合（感應）傳輸到兩個傳感器線圈，相互設置在90度的位置。對由分解器傳回的模擬正弦和余弦信號的評估需要一個軸角數字轉換器（RDC），它用來從模擬數據中確定角度位置和速率。

　　圖2：分解器示意圖和機械結構。

　　分解器在性能和和準確度方面可能并不比其他競爭技術優越，但它們更耐用，在污垢和極端溫度等環境下能提供更好的保護。即便在靜止的狀態下，它也可以隨時檢測馬達的絕對位置，而增量式編碼器和霍爾傳感器則不能執行該功能。