簡介：消費者要求其家用電器、園藝工具和電機驅動產(chǎn)品動力更強、外形更小、效率更高。像很多消費類電子產(chǎn)品一樣，消費者也期望這些產(chǎn)品成本更低、更可靠且易于使用。無刷直流（BLDC）電機有助于滿足這些需求。為滿足這一需求，需要完全優(yōu)化、高度集成的片上系統(tǒng)（SOC）設備。當今的 SOC 設備是完全可編程的電機控制器，可提供高效、結構緊湊的解決方案，有助于滿足 21 世紀制造商對綠色能源效率的嚴格要求。本書詳細介紹了關于這些 SOC 如何提高效率以及在何處使用的寶貴信息。

本書是針對技術和非技術類讀者而編寫的。如果您是行政人員、銷售員或設計工程師，本書均適合您。只要您對直流電機控制器電源管理懷有好奇心，即可閱讀本書。在第一章里，我們將談一下直流電機控制器基礎。

在從汽車到冰箱和庭院工具等極其廣泛的產(chǎn)品中，電機發(fā)揮著非常重要的作用。根據(jù) IMS Research 的數(shù)據(jù)，每年市場上增加110 億臺電機，其消耗的電能占總耗電量的 45%。從傳統(tǒng)的有刷直流電機到無刷電機，這一市場正在發(fā)生深刻變革。原因有多個，其中包括眾多行業(yè)對提高能源效率的強烈需求。此外，便攜式工具等不插電應用逐漸興起，它們需要體積更小、重量更輕、耗電量更少的電機，從而使電池能夠持續(xù)使用更長時間。

無刷電機具有許多優(yōu)勢，例如效率更高、重量更輕、控制更精確。但是，與傳統(tǒng)的有刷電機不同，它們需要電子控制。因此，電機控制市場也隨著有刷電機向無刷電機的轉變而發(fā)展。在本章中，我們將介紹各種類型的電機，并闡明新技術如何使直流電機在很多不同類型的產(chǎn)品中得到應用。我們還將介紹直流無刷電機的工作原理。

電機類型簡介

如今主要有如下幾種類型的電機 ：有刷直流電機、步進電機、感應電機以及無刷直流（BLDC）電機 / 永磁同步電機（PMSM）。圖 1-1 是對電機類型的匯總。

密切相關的兩種無刷電機——無刷直流（BLDC）電機和永磁同步電機（PMSM）越來越廣泛地應用于眾多領域。這些電機不需要電刷和換向器，因此比有刷電機更高效，并可有效延長電機壽命。

在有刷電機中，轉向（在各相中切換電流，以便形成能夠產(chǎn)生運動的旋轉磁場的過程）由電刷 / 換向器接口產(chǎn)生。該接口會產(chǎn)生不利的摩擦和電弧。

無刷直流（BLDC）電機和永磁同步電機（PMSM）采用電子生成的旋轉磁場，因此不需要使用電刷和換向器。這是通過使用外部電路調節(jié)傳送到各相的電壓和電流來實現(xiàn)的。

雖然這些電路稍微復雜一些，但與傳統(tǒng)有刷電機相比，無刷直流（BLDC）電機和永磁同步電機（PMSM）具有一些重要的優(yōu)勢。它們的電子換向方案使能源效率比以相同速度運行的有刷電機提高了 20% 到 30%，同時更加耐用、體積更小、重量更輕、噪音也更小。

BLDC 電機 /PMSM 的興起

組位于定子（電機的靜止部分）。將繞組放在電機靜止不動的部分，并將永磁體放在轉子上，這樣就不需要電刷了。在無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）中，通過電子控制器從外部控制流向固定定子線圈的電流。

這些無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）比其他類型的電機具有明顯優(yōu)勢，因此，在許多應用中，它們正逐漸取代有刷直流電機和感應電機。實際上，無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）已廣泛應用于汽車、電動工具和家用電器中。

與傳統(tǒng)的有刷電機相比，無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）具有諸多優(yōu)勢。它們節(jié)能，體積更小，重量更輕，噪音更小，也更可靠耐用。此外，它們還能精確地控制速度，更適合用于變速應用。最后，它們還具有出色的速度扭矩特性。

無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）通常用于需要精確控制速度的地方。我們將在第二章詳細介紹其工作原理，但基本概念如圖 1-2所示。霍爾傳感器或旋轉編碼器檢測轉子的位置，通過分析傳感器輸出端極性和變化率來測量速度。像圖 1-2 中所示的三相無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）需要三個霍爾傳感器。

電機或永磁同步電機（PMSM）采用電子換向電路，因此，它們需要監(jiān)控電路來確保線圈激勵精確定時，從而準確調節(jié)速度、恰當控制扭矩以及提高效率。在許多需要可調速和準確控制位置的新型電機應用中，這種驅動電路是必不可少的。

好消息是，所有必需的模擬功能都與功能強大的微控制器一起集成到單個電機控制單元中，從而驅動外部（或某些情況下集成在單元內(nèi)部）功率金屬氧化物半導體場效應晶體管。這種單獨控制單元可簡化設計流程并降低組件成本。

了解電機控制器的工作原理

電機控制器可完成多項非常重要的工作。其最基本的功能是通過控制各相的電壓來調節(jié)電動機的速度和方向。但電機控制器還 ：

調節(jié)電機速度、扭矩或功率輸出

控制啟動或軟啟動

防止出現(xiàn)電路故障

使電機加速和減速更平穩(wěn)

防止過載

為實現(xiàn)所有這些功能，電機控制器必須比以往更加智能。例如，它們能夠通過監(jiān)測負載并調整扭矩使其匹配來提高效率。提高效率的同時還減少電機的熱量、噪音和振動。

具有常規(guī)三相逆變器的無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）傳統(tǒng)上需要多個集成芯片（IC）來提供各種電機控制器功能。這其中包括微控制器、用于驅動功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的預驅動功率級、用于放大檢測到的電機電流的差分放大器、提取反電動勢 (BEMF) 信息的比較器以及降低電壓的開關式和線性穩(wěn)壓器。

由于半導體技術的進步，如今很多功能都被并入一個小型控制裝置中。

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