提高基于电机控制的设计的性能效率

    这篇“产品操作方法”文章重点介绍如何在嵌入式系统中使用某种产品，由公司代表撰写。
    无刷直流 (BLDC) 和永磁同步 (PMSM) 电机由于效率高且生产成本日益便宜，因此需求不断增加。这些类型的电机预计将在 750W 至 5kW 的低功率范围内获得市场重要性特别。
    因此，设计人员面临着降低电机安装成本（包括控制系统）的压力，而这正是更高效的低成本微控制器可以提供帮助的地方。然而，了解这些要求有助于说明控制电路设计人员需要关注哪些功能，才能以的硅投资获得性能。
    此外，模块化软件块和硬件参考设计提供快速电机控制解决方案。电机控制软件例程经过验证并保持不变，与电机尺寸无关，因此包括白色家电到主要工业装置的应用都可以由相同的设备驱动。
    了解电机
    电机有两个主要部分：非移动部分称为定子，移动部分通常位于定子内部，称为转子。根据电机类型，定子和转子可由线圈绕组或永磁体组成。
    为了使电机能够旋转，需要两个磁通量，一个来自定子，另一个来自转子。通过控制施加的电流，可以产生旋转磁场。电机由于旋转磁场的相互作用而旋转，因为转子的磁场试图与定子的磁场对齐。
    有刷直流电机依靠机械系统来传输电流。有刷电机的中心有一个绕线转子，永磁体定子粘合到围绕转子的钢环上。换向器提供了一种将固定电源连接到旋转线圈的方法，通常通过骑在光滑导电板上的导电刷来连接。当电刷与换向器接触时，电流通过转子线圈。单个线圈转子产生的不均匀扭矩可以通过添加额外的线圈和换向器片来平滑。
    另一方面，交流感应电机不依赖机械系统来控制电流，而是使电流流过直接或通过固态电路连接到电源的定子。
    电机定子具有多个线圈绕组，当由交流电驱动时，它们作为一组电磁体运行以产生所需的磁通。它通常有一个鼠笼式转子，由转子两端的环和连接环的杆组成，这些杆沿着转子的长度延伸。在三相电机中，定子线圈顺序通电和断电，产生旋转磁场。这会感应电流在鼠笼式转子的杆中流动，进而产生另一个磁场。
    无刷直流电机详细信息
    术语“BLDC”是一个营销驱动的标签，旨在宣传这样一种理念：配备适当驱动器的 BLDC 电机是有刷直流电机及其驱动器的合适直接替代品。从技术上讲，BLDC 电机仍然是交流电机；也就是说，需要交流电输入才能使电机移动。
    BLDC 电机是一种旋转电机，其定子是经典的三相绕线定子，与感应电机类似。BLDC 转子不是感应转子，而是具有表面安装的永磁体，可提供稳态磁场。
    当绕线定子通入三相交流电时，会产生旋转磁场，使转子与其同步旋转。BLDC 电机具有梯形分布绕组，由与给定转子位置耦合的梯形电流驱动。
    与 BLDC 电机类似，PMSM 的转子由永磁体组成。PMSM 的定子的三相绕组呈正弦分布，这与 BLDC 电机中的梯形分布相反。它的工作方式与 BLDC 电机相同，当绕线定子由三相交流电供电时，它会产生旋转磁场，导致转子与其同步旋转。
    PMSM 具有正弦分布绕组，由与给定转子位置耦合的正弦电流驱动。电机仅消耗满足负载所需的功率和能量，因此为了节省能源，可以选择减少负载、减少运行时间或提高效率。
    电机的效率是衡量其将电能转化为有用功的程度的指标。输出机械功率与输入电功率之间的差异是由于电机中发生的五种不同损耗造成的，包括：
    因此，以 I2R 表示的电气损耗 为显着，并且随着电机负载的增加而迅速增加。这些似乎是由定子绕组和转子导体中流动的电流的电阻产生的热量；
    磁损耗 ——由于磁滞和涡流而出现在定子和转子的钢叠片中；
    机械损失——来自轴承摩擦、通风和风阻；
    杂散负载损失 - 由于与气隙缺陷相关的漏磁通，以及；
    电刷接触损耗 - 对于有刷直流电机来说，是由电刷和换向器之间的电压降引起的。
    更高效率的 BLDC 和 PMSM
    在转子中使用永磁体有助于保持 BLDC 电机和 PMSM 转子较小且惯性较低。更重要的是，电机的电损耗比感应电机少，因为它们的转子中没有次级绕组，并且转子磁损耗也低得多。
    转子中没有电流流动，电机也会产生很少的热量。与通过交流感应电机气隙或有刷直流电机轴散热相比，BLDC 电机和 PMSM 的绕线定子结构进一步允许更有效地耗散产生的热量。
    分别与交流感应电机和有刷直流电机的鼠笼式和绕线式转子结构相比，转子上的惯性也更小。这种高扭矩惯量比使 BLDC 电机和 PMSM 能够提供比其他电机类型更好的加速率。
    在低功率范围和需要变速控制的应用中，采用 BLDC 电机和 PMSM 与交流感应电机相比，效率可提高高达 10% 至 15%，并有可能实现 90% 的运行效率。
    同时，BLDC 电机和 PMSM 也比有刷直流电机更加节能。出现这种情况是因为电机消除了励磁电路损耗，并且不会受到电刷引起的摩擦。效率的提高在电机性能曲线的低负载区域更为明显。

    此外，对于相同的机械功输出，BLDC 和 PMSM 总是比交流感应电机小，并且通常比有刷直流电机小。这是因为电机的固有结构有利于更好的热效率，因此电机本体的热效率较低。热量消散。从这个角度来看，BLDC 和 PMSM 的制造所需原材料更少，并且可能更具成本效益。

    图1：eCOG1X电机控制具体外设
    16 位微控制器（例如外设丰富的 eCOG1X）自然适合嵌入式电机控制应用。这些器件托管许多电机控制专用外设，有助于并简化由微控制器处理器执行的电机控制应用软件。这些外设如上面的图 1 所示。
    六通道 MCPWM 数字输出可以直接控制功率驱动级的开关晶体管，进而通过逆变桥将适当的相位信号施加到电机相位。可以进行完整的四象限驱动操作，为电机沿任一方向运行提供加速和减速扭矩。
    在使用电位计输入速度需求和电机运行方向的应用中，可以通过 eCOG1X ADC 通道之一进行监控。另一个 ADC 通道可用于观察总定子电流并检查是否存在过流故障情况。
    通过使用 eCOG1X 输入捕获定时器捕获电机霍尔效应传感器输出的变化，可以获得有关转子位置和速度反馈的信息。

    为了减少设计时间，还提供了模块化软件模块和硬件参考设计，后者的示例如下图2所示。

    图 2：无刷直流电机和永磁同步电机的控制电路越来越多地使用低成本、高度集成的微控制器来实现。
    正如我们所展示的，无刷直流电机和永磁同步电机由于其高效率和线速度/扭矩特性满足了降低功率和提高性能的需要，因此在各种消费和工业应用中获得了广泛的应用。