将无传感器矢量控制与BLDC和PMS电机结合使用，提供精确运动控制

机器人、无人机、医疗设备和工业系统等应用对精确运动控制的需求正在增长。无刷直流电机 （BLDC） 和交流驱动永磁同步电机 （PMSM） 可以提供所需的精度，同时满足紧凑外形对高效率的需求。然而，与易于连接和运行的有刷直流电机和交流感应电机不同，BLDC 和 PMSM 要复杂得多。

例如，特别是无传感器矢量控制（也称为磁场定向控制或FOC）等技术，具有出色的效率以及消除传感器硬件的优势，从而降低成本并提高可靠性。设计人员面临的问题是，无传感器矢量控制实施起来很复杂，因此使用无传感器矢量控制会延长开发时间，增加成本，并可能错过上市时间窗口。

为了解决这一难题，设计人员可以求助于已经内置无传感器矢量控制软件的开发平台和评估板，使他们能够专注于系统设计问题，而不会陷入控制软件编码的细微差别中。此外，这些开发环境包括将所有电机控制器和电源管理硬件集成到一个完整的系统中，从而加快了上市时间。

本文简要介绍了精密运动控制的一些需求，并回顾了有刷直流、交流感应、BLDC 和永磁同步电机之间的差异。然后总结矢量控制的基础知识，然后介绍[德州仪器]、[英飞凌科技]和[瑞萨电子]的几个平台和评估板，以及促进精密运动控制系统开发的设计指南。

精密运动控制应用示例

无人机是复杂的运动控制系统，通常使用四个或更多电机。需要精确和协调的运动控制，使无人机能够悬停、爬升或下降（图 1）。

图 1：无人机通常使用四个或更多电机，通常是 BLDC 或 PMSM，以每分钟 12，000 转 （RPM） 或更高的速度旋转，并由电子速度控制器 （ESC） 驱动。此示例显示了使用无传感器控制的无刷电机的无人机中的 ESC 模块。（图片来源：德州仪器）

要悬停，推动无人机向上的旋翼的净推力必须平衡，并且完全等于将其向下拉动的重力。通过同样增加旋翼的推力（速度），无人机可以直接向上爬升。相反，减小旋翼推力会导致无人机下降。此外，还有偏航（旋转无人机）、俯仰（将无人机向前或向后飞行）和滚动（将无人机向左或向右飞行）。

精确和重复的运动是许多机器人应用的特征之一。固定式多轴工业机器人必须在三维空间中传递不同量的力，以便移动不同重量的物体。机器人内部的电机在精确的点提供可变的速度和扭矩（旋转力），机器人的控制器使用这些点来协调沿不同轴的运动，以实现精确的速度和定位。

固定式多轴工业机器人必须在三维空间中传递不同量的力，以便移动不同重量的物体，并与装配线上的其他机器人协调其活动。

对于轮式移动机器人，可以使用精确的差速器驱动系统来控制运动的速度和方向。两个电机用于提供运动，以及一个或两个脚轮以平衡负载。两个电机以不同的速度驱动以实现旋转和方向变化，而两个电机的相同速度导致直线运动，无论是向前还是向后。虽然与传统转向系统相比，电机控制器更复杂，但这种方法更精确，机械更简单，因此更可靠。

电机选择

基本的直流电机和交流感应电机相对便宜且易于驱动。它们广泛用于从真空吸尘器到工业机械、起重机和电梯的广泛应用。然而，虽然它们价格低廉且易于驱动，但它们无法提供机器人、无人机、医疗设备和精密工业设备等应用所需的精确操作。

简单的有刷直流电机通过使用换向器和电刷与旋转协调机械地切换电流方向来产生扭矩。有刷直流电机的缺点包括由于电刷磨损以及产生电气和机械噪音而需要维护。脉宽调制（PWM）驱动器可用于控制旋转速度，但由于有刷直流电机固有的机械特性，难以实现精确控制和高效率。

BLDC 消除了有刷直流电机的换向器和电刷，并且根据定子的绕组方式，它也可以是 PMSM。定子线圈梯形缠绕在 BLDC 电机中，产生的反电动势 （EMF） 呈梯形波形，而 PMSM 定子正弦缠绕并产生正弦反电动势 （E 贝姆福 ）（图3）。

图 3：永磁同步电机产生正弦 E 贝姆福 ，而 BLDC 生成梯形 E贝姆福浪 ~~ 。（图片来源：德州仪器）

BLDC 和永磁同步电机中的扭矩是电流和反电动势的函数。BLDC 电机由方波电流驱动，而 PMSM 电机由正弦电流驱动。

无刷直流电机特点：

• 通过六步方波直流电流更易于控制* 产生显著的转矩脉动* 成本和性能低于 PMSM* 可使用霍尔效应传感器或无传感器控制实现

永磁同步电机特点：

• 使用三相正弦PWM进行更复杂的控制* 无转矩脉动* 比 BLDC 更高的效率、扭矩和成本* 可通过轴编码器或无传感器控制实现

什么是病媒控制？

矢量控制是一种变频电机驱动控制方法，其中三相电动机的定子电流被识别为两个可以用矢量可视化的正交分量。一个组件定义电机的磁通量，另一个组件定义扭矩。矢量控制算法的核心是两个数学变换：克拉克变换将三相系统修改为两坐标系，而公园变换将两相稳态系统向量转换为旋转系统向量及其逆向量。

使用克拉克变换和帕克变换可将可控制的定子电流带入转子域。这样做允许电机控制系统确定应提供给定子的电压，以在动态变化的负载下最大化扭矩。

高性能速度和/或位置控制需要实时精确地了解转子轴的位置和速度，以便将相位激励脉冲与转子位置同步。该信息通常由传感器提供，例如连接到电机轴上的绝对编码器和磁性旋转变压器。这些传感器有几个系统缺点：可靠性较低、易受噪声影响、成本和重量增加以及复杂性较高。无传感器矢量控制消除了对速度/位置传感器的需求。

高性能微处理器和数字信号处理器（DSP）使现代高效的控制理论能够体现在先进的系统建模中，确保任何实时电机系统的最佳功率和控制效率。预计由于微处理器和DSP的计算能力提高和成本下降，无传感器控制将几乎普遍取代传感器矢量控制，以及简单但性能较低的单变量标量伏特/赫兹（V / f）控制。

驱动用于工业和消费类机器人的三相永磁同步电机和无刷直流电机

为了解决矢量控制的复杂性，设计人员可以使用现成的评估板。例如，德州仪器 （TI） 的 [DRV8301-69M-KIT] 是基于 DIMM100 controlCARD 的主板评估模块，设计人员可以使用该模块开发三相 PMSM/BLDC 电机驱动解决方案（图 4）。它包括具有双通道分流放大器和降压稳压器的 [DRV8301]三相栅极驱动器，以及支持 InstaSPIN 的 Piccolo [TMS320F28069M]微控制器 （MCU） 板。

图 4：设计人员可以使用 DRV8301-69M-KIT 电机套件开发三相 PMSM/BLDC 电机驱动解决方案，该套件包括 DRV8301 和支持 InstaSPIN 的 Piccolo TMS320F28069M MCU 板。（图片来源：德州仪器）

DRV8301-69M-KIT 是基于 InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 德州仪器 （TI） 技术的电机控制评估套件，用于旋转三相永磁同步电机和 BLDC 电机。借助 InstaSPIN，DRV8301-69M-KIT 允许开发人员快速识别、自动调谐和控制三相电机，从而提供“即时”稳定且功能强大的电机控制系统。

DRV8301-69M-KIT 与 InstaSPIN 技术相结合，可提供高性能、高能效、经济高效的无传感器或支持编码器传感器的 FOC 平台，可加快开发速度，加快产品上市时间。应用包括用于驱动泵、闸门、升降机和风扇的低于 60 伏和 40 安培 （A） 的同步电机，以及工业和消费类机器人和自动化。

DRV8301-69M-KIT 硬件特点：

• 三相逆变器基板，带接口，可接受 DIMM100 控制卡* DRV8301 三相逆变器集成电源模块（带集成 1.5 A 降压转换器）基板，支持高达 60 伏和 40 A 连续电流* TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION卡* 能够与 MotorWare 配合使用 TMDXCNCD28054MISO（单独出售）和 [TMDSCNCD28027F]+ 外部仿真器（单独出售）

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.

英飞凌的 IMM101T 采用紧凑的 12 x 12 毫米 （mm） 表面贴装封装，为 PMSM/BLDC 驱动系统提供不同的控制配置选项，最大限度地减少了外部元件数量和印刷电路板 （PC 板） 面积。该封装经过热增强，无论是否使用散热器，其性能都很好。该封装在封装下方的高压焊盘之间具有 1.3 mm 的爬电距离，以简化表面安装并提高系统的稳健性。

IMM100 系列集成了 500 伏 FredFET 或 650 伏 CoolMOS MOSFET。根据封装中采用的功率 MOSFET，IMM100 系列适用于额定输出功率为 25 瓦 （W） 至 80 W、最大直流电压为 500 V/600 V 的应用。在 600 伏版本中，Power MOS 技术的额定电压为 650 伏，而栅极驱动器的额定电压为 600 伏，这决定了系统的最大允许直流电压。

24 伏电机控制评估系统

24 V PMSM/BLDC 电机驱动器的设计人员可以求助于瑞萨电子的 [RTK0EM0006S01212BJ] 电机控制评估系统 [RX23T]微控制器（图6）。RX23T器件是32位微控制器，适用于单逆变器控制，内置浮点单元（FPU），可用于处理复杂的逆变器控制算法。这有助于大大减少软件开发和维护所需的工时。

瑞萨电子24伏电机控制评估系统图片

图 6：瑞萨电子用于 RX24T 微控制器的 23 V 电机控制评估系统包括一个逆变器板，用于驱动评估包中包含的 PMSM。（图片来源：瑞萨电子）

此外，由于内核的原因，软件待机模式（具有RAM保留）消耗的电流仅为0.45微安（μA）。RX23T 微控制器的工作电压范围为 2.7 至 5.5 V，在引脚排列和软件级别与 [RX62T] 系列高度兼容。该套件包括：

• 24伏逆变器板* 永磁同步电机控制功能* 三分流电流检测功能* 过流保护功能* 用于 RX23T 微控制器的 CPU 卡* USB 迷你 B 线 * 永磁同步电机

结论

BLDC 和 PMSM 可用于提供紧凑高效的精密运动控制解决方案。将无传感器矢量控制与 BLDC 和 PMS 电机结合使用，增加了消除传感器硬件的优势，从而降低了成本并提高了可靠性。然而，在这些应用中，无传感器矢量控制可能是一个复杂且耗时的过程。

如图所示，设计人员可以转向带有无传感器矢量控制软件的开发平台和评估板。此外，这些开发环境包括将所有电机控制器和电源管理硬件集成到一个完整的系统中，从而加快了上市时间。