通过对 BLDC 和 PMS 电机使用无传感器矢量控制来实现精确的运动控制

在机器人、无人机、医疗设备和工业系统等应用中，对精确运动控制的需求越来越多。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，同时还可以满足以紧凑外形实现高效率的需求。但是与有刷直流电机和交流感应电机不同的是，它们很容易连接起来并运行，而 BLDC 和 PMSM 则要复杂得多。

例如，特别是像无传感器矢量控制（亦称磁场定向控制或 FOC）这样的技术，不仅具有出色的效率，而且具有无需传感器硬件的优势，从而降低了成本，提高了可靠性。对设计人员来说，问题在于无传感器矢量控制实现起来很复杂，因此使用这种技术会造成开发时间延长、成本增加并可能错过上市时间窗口。

为了解决这一难题，设计人员可以转而使用已经内置无传感器矢量控制软件的开发平台和评估板，让他们专注于系统设计问题，而不是陷入控制软件编码细微差别的纠结之中。此外，这些开发环境还包括了所有的电机控制器和电源管理硬件，并集成在一个完整的系统中，从而加快了产品上市速度。

本文简要介绍了精密运动控制的一些需求，并回顾了直流有刷、交流感应、BLDC 和 PMSM 电机之间的差异。最后对矢量控制基础知识进行总结，并介绍了 Texas Instruments、Infineon Technologies 和 Renesas Electronics 的几个平台和评估板，以及有利于开发精密运动控制系统的设计指导原则。

精密运动控制应用实例

无人机是一种复杂的运动控制系统，通常采用四个或多个电机。为了使无人机能够悬停、爬升或下降，需要具有精确、协调的运动控制能力（图 1）。

图 1：无人机通常使用四个或更多个电机，通常是 BLDC 或 PMSM，转速高至每分钟 12000 转 (RPM) 或以上，并由电子速度控制器 (ESC) 驱动。这个例子展示了使用无刷电机与无传感器控制的无人机中的 ESC 模块。（图片来源：Texas Instruments）

要想悬停，推动无人机上升的旋翼的净推力必须平衡，并与拉动它下降的引力完全相等。同样通过增加旋翼的推力（速度），无人机可以直接爬升。反之，减小旋翼推力会使无人机下降。此外，还有偏航（转动无人机）、俯仰（无人机向前或向后飞行）和滚转（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点之一。固定式多轴工业机器人为了移动不同重量的物体，必须在三个维度上提供不同的力（图 2）。机器人内部的电机在精确的点上提供可变的速度和扭矩（旋转力），机器人的控制器用它来协调沿不同轴的运动，以实现精确的速度和定位。

图 2：固定式多轴工业机器人要在三个维度上提供不同的力，才能移动不同重量的物体，并与流水线上的其它机器人协调作业。（图片来源：Texas Instruments）

在轮式移动机器人上，可以使用精确的差动驱动系统来控制速度和运动方向。两个电机与一个或两个脚轮一起提供运动，以平衡负载。两台电机以不同的速度驱动，实现旋转和方向的变化，而两台电机的速度相同，则可实现直线运动，向前或向后行走。虽然与传统的转向系统相比，电机控制器比较复杂，但这种方法更精确，机械上更简单，因此更可靠。

电机选择

基本直流电机和交流感应电机价格相对较低，驱动简单，广泛应用于从真空吸尘器到工业机械、起重机和电梯等领域。然而，虽然它们价格低廉，易于驱动，但无法提供机器人、无人机、医疗设备和精密工业设备等应用所需的精密操作。

简易有刷直流电机是利用换向器和电刷，通过机械地切换电流方向，配合旋转产生转矩。有刷直流电机的缺点包括由于电刷磨损而需要维护，以及会产生电气和机械噪音。脉宽调制 (PWM) 驱动器可用于控制转速，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 电机则取消了有刷直流电机的换向器和电刷，根据定子的卷绕方式，它也可以是一个 PMSM 电机。在 BLDC 电机中，定子线圈采用梯形绕组，产生的是梯形波形反电动势 (EMF)，而 PMSM 定子是正弦绕组，产生正弦的反电动势 (_Ebemf)（图 3）。

图 3：PMSM 电机产生正弦 E_bemf 波形，而 BLDC 产生梯形 E_bemf 波形。（图片来源：Texas Instruments）

BLDC 和 PMSM 电机的转矩是电流和反电动势的函数。BLDC 电机采用方波电流驱动，而 PMSM 电机采用正弦电流驱动。

BLDC 电机特性：

• 采用六阶方波直流电流，更易于控制
• 产生显著的转矩波动
• 与 PMSM 相比，成本和性能较低
• 可采用霍尔效应传感器或无传感器控制来实现

PMSM 电机特性：

• 使用三相正弦 PWM 进行更复杂的控制
• 无转矩波动
• 效率、扭矩和成本均高于 BLDC
• 可采用轴编码器或无传感器控制来实现

什么是矢量控制？

矢量控制是一种变频电机驱动控制方法，三相电机的定子电流可以看成两个正交分量，可以用矢量直观地表示出来。一个分量定义了电机的磁通量，另一个分量定义了扭矩。矢量控制算法的核心是两种数学变换：一是克拉克变换，将三相系统转换为两坐标系统；二是帕克变换，将两相静止系统向量转换为旋转系统向量，反之亦然。

使用克拉克和帕克变换能将可以控制的定子电流提供到转子域。这样做可以让电机控制系统确定应该提供给定子的电压，以便在动态变化的负载下获得最大的转矩。

高性能速度和/或位置控制需要实时和精确地了解转子轴的位置和速度，以使相位激励脉冲与转子位置同步。这些信息通常是由传感器提供的，如连在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，成本和重量较大，且比较复杂。无传感器矢量控制则无需速度/位置传感器。

高性能微处理器和数字信号处理器 (DSP) 能够让现代高效的控制理论融合到先进的系统建模中，确保任何实时电机系统都能获得最佳功率和控制效率。预计由于微处理器和 DSP 的计算能力不断提高，成本不断下降，无传感器控制几乎将普遍取代传感矢量控制，以及简单但性能较弱的单变量标量每赫兹伏特 (V/f) 控制。

驱动工业和消费类机器人的三相 PMSM 和 BLDC 电机

为了绕过矢量控制的复杂性，设计人员可以使用现成的评估板。例如，Texas Instruments 的 DRV8301-69M-KIT 是一个基于 DIMM100 控制卡的主板评估模块，设计人员可以用来开发三相 PMSM/BLDC 电机驱动方案（图 4）。它包括带有双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，该套件包括一个 DRV8301 和一个支持 InstaSPIN 的 Piccolo TMS320F28069M MCU 板。（图片来源：Texas Instruments）

DRV8301-69M-KIT 是基于 Texas Instruments InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 技术的电机控制评估套件，用于旋转三相 PMSM 和 BLDC 电机。通过 InstaSPIN，DRV8301-69M-KIT 可以让开发人员快速识别、自动调节和控制三相电机，实现一个“即时”稳定、功能完善的电机控制系统。

结合 InstaSPIN 技术后，DRV8301-69M-KIT 提供了一个高性能、高能效、高成本效益的无传感器或支持编码器传感器的 FOC 平台，加快了开发速度和上市速度。应用包括 60 伏和 40 安培 (A) 以下的同步电机，用于驱动泵、门、电梯和风扇，以及工业和消费类机器人和自动化设备。

DRV8301-69M-KIT 硬件特性：

• 提供带接口的三相逆变器底板，可插接 DIMM100 控制卡
• 一块 DRV8301 三相逆变器集成电源模块（带一个集成式 1.5 A 降压转换器）底板，支持最高 60 伏的电压和 40 A 的连续电流
• TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 卡
• 能够使用支持 MotorWare 的 TMDXCNCD28054MISO（单独出售）和 TMDSCNCD28027F + 外部仿真器（单独出售）

高性能、高效率 PMSM 和 BLDC 电机驱动器

Infineon Technologies 的 EVAL-IMM101T 是一款全功能入门套件，其中包括了一个 IMM101T 智能 IPM（集成电源模块），它提供了一个全集成的、交钥匙型高压电机驱动解决方案，设计人员可以将其与高性能、高效率的 PMSM/BLDC 电机一起使用（图 5）。EVAL-IMM101T 还包括对 IMM101T 智能 IPM 进行“开箱即用”式评估所需的其他必要电路，如整流器和 EMI 滤波级，以及用 USB 连接到 PC 的隔离调试器部分。

图 5：IMM101T 评估板是一个完整的解决方案，包括运动控制引擎 (MCE 2.0)、栅极驱动器和三相逆变器，能够使用无传感器 FOC 驱动 PMSM 和 BLDC 电机。（图片来源：Infineon Technologies）

开发 EVAL-IMM101T 就是为了在使用 IMM101T 智能 IPM 开发应用的第一步给设计人员提供支持。该评估板为无传感器 FOC 配备了全部组件。它包含一个单相交流连接器、EMI 滤波器、整流器和用于连接电机的三相输出。该功率级还包含用于电流感应的分流器和用于 DC Link 电压测量的分压器。

Infineon 的 IMM101T 在紧凑的 12 x 12 毫米 (mm) 表面贴装封装中为 PMSM/BLDC 驱动系统提供了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面积需要。该封装经过热增强处理，无论有无散热器，都能表现良好。该封装的特点是，封装下方的高压垫之间的爬电距离为 1.3 mm，便于表面安装，提高了系统的稳健性。

IMM100 系列集成了 500 伏 FredFET 或 650 伏 CoolMOS MOSFET，具体取决于封装中所采用的功率 MOSFET，应用额定输出功率从 25 瓦 (W) 到 80 瓦不等，最大直流电压为 500 伏/600 伏。在 600 伏版本中，如采用 Power MOS 技术，则额定电压为 650 伏，如采用栅极驱动器，则额定电压为 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 伏 PMSM/BLDC 电机驱动器的设计人员可以使用 Renesas 为 RX23T 微控制器提供的 RTK0EM0006S01212BJ 电机控制评估系统（图 6）。RX23T 器件是适合于单逆变器控制的 32 位微控制器，其内置的浮点单元 (FPU) 使之能够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人工时间。

图 6：Renesas 用于 RX23T 微控制器的 24 伏电机控制评估系统包括一个逆变器板，用于驱动评估包中提供的 PMSM。（图片来源：Renesas Electronics）

此外，由于其内核先进，在软件待机模式下（保留 RAM）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 伏，在引脚排列和软件层面上与 RX62T 系列高度兼容。该套件包括：

• 24 伏逆变器板
• PMSM 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 mini B 线
• PMSM 电机

结语

BLDC 和 PMSM 可用于实现紧凑、高效的精密运动控制解决方案。在 BLDC 和 PMSM 电机上运用无传感器矢量控制技术，既省去了传感器硬件需要，又降低了成本，提高了可靠性。但是在这些应用中，无传感器矢量控制可能是一个复杂而耗时的过程。

综上所述，设计人员可以使用附带无传感器矢量控制软件的开发平台和评估板应对这个问题。此外，这些开发环境还包括了所有的电机控制器和电源管理硬件，并集成在一个完整的系统中，从而加快了产品上市速度。

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