意法半导体:三相电机控制解决方案

意法半导体拥有强大的、面向电机控制应用的产品组合。 运转顺畅和高效率推动了电机控制的发展。 面向PMSM、PMAC和感应电机（其采用高性能微控制器、功率晶体管与高压栅极驱动器IC）的磁场定向控制（FOC）软件的发展满足了对更高效率的需求。 对于功率较低的应用而言，面向步进电机的新型高集成度控制器/驱动器IC可以为步进电机实现更顺畅的运转和更高的定位精度。

三相AC感应电机

三相感应电机属于无刷电机。 定子是铜线绕组，转子通常是一个铝制鼠笼。 典型的驱动器配置是1个三相桥（3个半桥），可以为定子提供3个正弦波电压。 该驱动器通常用于功率较高的应用，一般由1个带有高压栅极驱动器的分立式IGBT，或者整合了3个半桥和相关栅极驱动级的功率模块组成。 在控制逆变器的微控制器内实现了磁场定向控制或标量（伏特/赫兹）控制算法。

三相感应电机矢量驱动器（FOC）

矢量控制（亦即磁场定向控制，FOC）是可变频率驱动器使用的一种方法，用于控制三相AC电机的扭矩和速度。 特别地，这种方法意味着要测量电机电流，然后将其转换到与机器的转子一起旋转的坐标系内。 为了完成这种参考帧转换，必须直接测量（通过实际的速度/位置传感器）或者间接估计（无传感器法）转子位置。

矢量控制需要HW外设方可完成这项任务和比标量控制更密集的计算，另一方面它实现了更好的动态响应（例如加载速度控制方面的变化）、更准确的机械扭矩调节和更安静的操作。

通常，低成本32位微控制器就可以处理这种驱动器。

 

标量控制电压频率比驱动器

在标量驱动器内，一般只控制频率和施加在电机上的电压（并不要求控制电流反馈）。

特别是对于Φ感应电机而言，标量驱动器通常控制开/闭速度环内的电压-频率（V/F）之比（只有在后面这种情况下才必须控制电机速度反馈）。 如果知道电机速度信息，则可另外实现滑动调节，从而优化电机效率。

虽然简单（可以由8位和32位微控制器执行），但是V/f控制就能够满足大多数应用的需求了。

 

无刷DC（三相BLDC）电机

无刷DC电机的转子上附有永磁体，而定子上则有外部换向线圈。 电子换向取代了DC电机内电刷的功能，通常根据感应到的转子位置来驱动定子线圈。 无刷DC电机的主要优势在于它固有的高效率和高可靠性。 由于设计者迫切需要提高系统效率，所以这些电机变得越来越常见了。 典型配置为1个由3个半桥驱动的三相电机。 在低功耗应用中，驱动器可被集成到智能功率IC内。对于功率更高的应用而言，分立式IGBT和高压栅极驱动器IC可用于半桥。 对于很多应用而言，无传感器驱动器消除了对过去使用的霍尔效应传感器的需求。 通常利用低端微控制器实现六步换向和速度控制。

BLDC标量控制驱动器

在标量驱动器内，一般只控制频率和施加在电机上的电压（并不要求控制电流反馈）。

对于永磁3Φ电机（BLDC和PMSM）而言，需要获取转子速度和/或位置信息方可让定子和转子磁通位置保持同步。 在不使用物理传感器（霍尔传感器、编码器等）提取转子速度/位置信息的情况下，驱动器就被视为“无传感器”驱动器。

由于利用这种驱动器很容易实现电机的无传感器控制，所以六步波驱动器（亦即块变换）就成了最常见的、面向PMSM和BLDC的标量驱动器。并且，在六步波驱动器内，可以在电流模式下控制电机电流值，从而实现电机扭矩调节。

由于标量驱动器无需密集的数学计算，所以能够利用低成本微控制器（从8位微控制器开始）实现。

 

BLDC矢量控制器（FOC）

为使电机以最佳效率运转，定子磁通必须与转子同步运转，并且理论上定子与转子磁通之间应保持90°相移。 当定子绕组集中到窄相带，每个电机转子绕组相感应的反电动势电压可按梯形波形相当精确地建模时，这种电机为 BLDC 电机，即无刷直流电机。 由于反电动势波形的特点，BLDC 电机特别适合采用六步开关电流波形激励生成接近恒定的输出扭矩。 不过，如果应用能够承受轻微机械扭矩波动，也可以采用正弦波电流驱动。 从这一因素考虑并在其限定的范围内，BLDC 电机也可以具备磁场定向控制的优点 （可靠、低噪声、起动和低速扭矩大）。

 

无刷AC（三相PMSM）电机

无刷AC电机，亦即永磁同步电机（PMSM）或永磁AC电机（PMAC），其转子上附有永磁体，而定子上则有外部换向线圈。 它们不同于无刷DC电机，主要是因为定子线圈由正弦波驱动。 无刷AC电机的主要优势在于它固有的高效率、运转顺畅和高可靠性。 典型配置为1个由3个半桥驱动的三相电机。 在低功耗应用中，驱动器可被集成到智能功率IC内。对于功率更高的应用而言，分立式MOS或IGBT和高压栅极驱动器IC可用于半桥。 对于很多应用而言，无传感器磁场定向控制（FOC）驱动器消除了对过去使用的编码器的需求。 可以利用低成本32位微控制器轻松实现正弦波驱动和FOC算法。

PMSM标量控制驱动器

定子绕组呈正弦分布且磁铁通过转子旋转在每个电机相内产生正弦反电动势波形的电机为永磁同步电机（PMSM）或正弦波永磁同步电机或永磁交流电机（PMAC）。

由于具备反电动势波形的特点，所以专门对正弦波PMSM电机进行了优化，从而能够在利用三相正弦电流波形进行激励时生成接近恒定的输出扭矩。 为避免给出基于电流频率的高电压值，可采用V/F极限曲线来确定给定子频率下的最大电压值。

 

PMSM矢量控制器（FOC）

矢量控制（亦即磁场定向控制，FOC）是可变频率驱动器使用的一种方法，用于控制三相AC电机的扭矩和速度。 这种方法意味着要测量电机电流，然后将其转换到与机器的转子一起旋转的坐标系内。 为了完成这种参考帧转换，必须直接测量（通过实际的速度/位置传感器）或者间接估计（无传感器法）转子位置。

矢量控制需要HW外设方可完成这项任务和比标量控制更密集的计算，另一方面它实现了更好的动态响应（例如加载速度控制方面的变化）、更准确的机械扭矩调节和更安静的操作。

通常，低成本32位微控制器就可以处理这种驱动器。