释放三相电机的创新潜能，了解下Qorvo的磁场定向控制（FOC）方案

Qorvo半导体 2023-09-08 18:00 599浏览 0评论 0点赞

破解工业通信时延困局 揭秘实时频谱分析的黑科技原理

超越传统有刷电机

无刷直流（BLDC）电机和永磁同步电机（PMSM）摆脱了电刷及换向器，相比有刷电机带来更高的效率和更长的寿命，因而在许多应用中越来越受到欢迎。为消除电刷和换向器，这些电机利用电子产生的旋转磁场，并通过外部电路来调节相电压及电流来实现。

此类电路固然增加了一些复杂性，但与传统有刷电机相比，BLDC和PMSM具备很大优势——对比以相同速度运行的有刷电机，其电子换向方案可将能效提升20%至30%，而且更耐用、更小、更轻、更安静。

磁场定向控制（FOC）是一种用于PMSM的控制技术，在最大限度减少转矩纹波和扩大速度工作范围方面性能优越。目前，这一技术正变得越来越流行，并开始出现在成本更高、性能更强的电动工具和白色家电中。在微控制器（MCU）上进行嵌入式编程是实现FOC相关特性和功能的常见选择，同时还能在优化整体解决方案的同时满足每个应用的要求。

本篇博文概述了Qorvo设计峰会相关网络研讨会的内容。该研讨会探讨了基于FOC的BLDC/PMSM电机设计，包括如何对微控制器芯片编程以访问并管理电机运行的示例，请点击阅读原文查看。

磁场定向控制的基本原理

在任何有关无刷电机的讨论中，都会经常出现正弦波、梯形波和磁场定向控制等术语。理解这些术语是掌握基本概念的第一步。设计峰会的相关视频对此进行了概述，并在本章节中做简要总结。在使用电池或其它直流电源的典型电机驱动系统中，功率级提供三相交流电。如图1所示，BLDC或PMSM电机的电流驱动可基于六步梯形控制或磁场定向控制。

在任何有关无刷电机的讨论中，都会经常出现正弦波、梯形波和磁场定向控制等术语。理解这些术语是掌握基本概念的第一步。设计峰会的相关视频对此进行了概述，并在本章节中做简要总结。在使用电池或其它直流电源的典型电机驱动系统中，功率级提供三相交流电。如图1所示，BLDC或PMSM电机的电流驱动可基于六步梯形控制或磁场定向控制。

图1：梯形控制和FOC的区别

在采用梯形控制的设计中，电流仅在两个相位中传导；在浮动相位时，则会获取传感器读数。此时，可监测反向电动势（BEMF）的值以推断转子位置。虽然BLDC电机设计通常具有较高的转矩纹波，但这种方法更简单，实施成本也更低。

PMSM电机的FOC实现在三个相位中的每一个相位均导通电流；每个相位的电流、电压和功率，与其它相位的电流、电压和功率偏移120度。这种方式最大限度地减少了转矩纹波；电机角度也连续更新。此类正弦波控制主要用于PMSM电机，需要更复杂的电子监测控制电路。交流电机的控制基本上等同于使用FOC控制直流电机。

如图2所示，转矩由电流控制环路监测和控制。来自三相逆变器的反馈信息被馈送至电流感应电路，并中继到控制回路，以保持精确的扭矩水平。电机位置模块对电压和电流值进行采样，通过一系列变换操作提供电机的角度和速度水平。