童年的四驅(qū)車幾乎是我們第一次近距離接觸馬達(dá)。想必有動(dòng)手能力強(qiáng)一些的小伙伴還拆過，改裝過馬達(dá)吧。其實(shí)它就是一種結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的直流有刷電機(jī)（BDC）。

直流有機(jī)電刷的驅(qū)動(dòng)方式

有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是使用H橋來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速的。

H橋原理圖

如上圖所示，4顆MOS管與馬達(dá)共同組成一個(gè)形似H的結(jié)構(gòu)。通過控制4顆MOS管的通斷對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

• 當(dāng)A和D閉合，B和C斷開時(shí)，直流電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。
• 當(dāng)B和C閉合，A和D斷開時(shí)，直流電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。
• 當(dāng)A和C閉合，B和D斷開，或者當(dāng)B和D閉合，A和C斷開時(shí)，直流電機(jī)不旋轉(zhuǎn)。且因?yàn)槎搪樊a(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，所以抑制了電機(jī)的慣性旋轉(zhuǎn)。
• 當(dāng)A和B閉合或者C和D閉合，直接形成電源短路，會(huì)燒毀電源。
• 當(dāng)A，B，C，D均處于斷開狀態(tài)，沒有反向電勢(shì)阻礙電機(jī)慣性運(yùn)動(dòng)。電機(jī)處于慣性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

H橋電流路徑

BDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片功能框圖

BDC驅(qū)動(dòng)芯片，各廠家結(jié)構(gòu)大同小異。接下來，以TI DRV8251A為例，簡(jiǎn)單介紹一下BDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。如上圖所示，芯片內(nèi)部集成了電壓，電流檢測(cè)，外部shunt電阻和集成電流鏡，PWM控制接口，并集成保護(hù)電路。通過增加Charger Pump使得N-Channel MOSFET半橋以及100%占空比驅(qū)動(dòng)來提高效率。

在IPROPI引腳上的采用內(nèi)部電流鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電流的感應(yīng)和調(diào)節(jié)。無需并聯(lián)大功率電阻，節(jié)約板面積降低BOM成本。同時(shí)IPROPI電流傳感輸出給MCU可以檢測(cè)電機(jī)失速或負(fù)載條件變化。

從四驅(qū)車到火星車

眾所周知火星地表環(huán)境惡劣，地形復(fù)雜，對(duì)火星車驅(qū)動(dòng)的靈活性要求極高。相對(duì)美國(guó)好奇號(hào)火星車的六只車輪中只能控制其中前后兩對(duì)車輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向，中國(guó)的祝融號(hào)火星車每只車輪都可以進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立轉(zhuǎn)向，在火星充滿未知的極端環(huán)境下?lián)碛懈鼮閮?yōu)異的脫困性能，其中直流無刷電機(jī)功不可沒。

直流無刷電機(jī)（BLDC）

無刷電機(jī)取消了電刷，采取電子換向，線圈不動(dòng)，磁極旋轉(zhuǎn)。通過霍爾傳感器感知永磁體的位置適時(shí)切換線圈中電流的方向，確保產(chǎn)生正確方向的磁力驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因?yàn)闆]有電刷這個(gè)物理結(jié)構(gòu)，無刷馬達(dá)的壽命較有刷馬達(dá)有了大幅提升。同樣因?yàn)槭请娮訐Q向，方便通過無刷電機(jī)控制器控制驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整電源切換角，制動(dòng)電機(jī)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，鎖止等功能，也使得無刷馬達(dá)的控制精度較有刷馬達(dá)大幅提升。所以，要求電池供電，大功率，大扭矩，小體積，長(zhǎng)壽命，高精度的直流無刷電機(jī)就成為火星車驅(qū)動(dòng)輪最合適的選擇。

直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式

直流無刷電機(jī)（BLDC）的驅(qū)動(dòng)電路主要是使用三相逆變電路實(shí)現(xiàn)的。而三相逆變電路的實(shí)現(xiàn)一般通過半橋MOS電路搭建。

通過控制Q1~Q6各MOS管的通斷，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

• Q1，Q5打開，電流通過Q1→電機(jī)線圈AB相→Q5
• Q1，Q6打開，電流通過Q1→電機(jī)線圈AC相→Q6
• Q2，Q6打開，電流通過Q2→電機(jī)線圈BC相→Q6
• Q2，Q4打開，電流通過Q2→電機(jī)線圈BA相→Q4
• Q3，Q4打開，電流通過Q3→電機(jī)線圈CA相→Q4
• Q3，Q5打開，電流通過Q3→電機(jī)線圈CB相→Q5

直流無刷電機(jī)的控制方式

相較簡(jiǎn)單的有刷電機(jī)的控制方式，無刷電機(jī)的控制方式就較為復(fù)雜了。主要有以下三種控制方式：

**1. **方波控制

方波控制使用霍爾傳感器或者無感估算算法獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置在360°的電氣周期內(nèi)，進(jìn)行6次換向。每個(gè)換向位置電機(jī)輸出特定方向的力，所以方波控制的位置精度是電氣60°。由于在這種方式控制下，電機(jī)的相電流波形接近方波，所以稱為方波控制。優(yōu)點(diǎn)是控制算法簡(jiǎn)單、硬件成本較低，使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、存在一定的電流噪聲、效率達(dá)不到最大值。方波控制適用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)性能要求不高的場(chǎng)合。

**2. **正弦波控制

正弦波控制方式使用的是SVPWM波，輸出的是3相正弦波電壓，相應(yīng)的電流也是正弦波電流。正弦波控制相比方波控制，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，電流諧波少，控制起來比較精細(xì)，但是對(duì)控制器的性能要求稍高于方波控制，與方波控制，電機(jī)效率同樣也不能發(fā)揮到最大值。

3. FOC控制

FOC（Field-Oriented Control）即磁場(chǎng)定向控制。正弦波控制實(shí)現(xiàn)了電壓矢量的控制，間接實(shí)現(xiàn)了電流大小的控制，但是無法控制電流的方向。FOC控制方式是正弦波控制的升級(jí)版本，實(shí)現(xiàn)了電流矢量的控制，也即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子磁場(chǎng)的矢量控制。這是目前無刷電機(jī)（BLDC）和永磁電機(jī)（PMSM）最高效的控制方法。

FOC對(duì)磁場(chǎng)的大小與方向的控制都更精確，從而使得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的噪聲更低，運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。

TRINAMIC運(yùn)動(dòng)控制方案

說到FOC控制，就不得不提業(yè)界代表FOC控制天花板的TRINAMIC。
TRINAMIC的設(shè)計(jì)理念是盡可能將針對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制硬件化，有效縮短開發(fā)周期，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM（物料清單），縮短產(chǎn)品投放時(shí)間。

三路半橋分別驅(qū)動(dòng)BLDC的三相UVW，Pre-driver集成傳感和保護(hù)電路，可以根據(jù)FOC算法需要進(jìn)行電流采樣。Motion Controller專用運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行硬件驅(qū)動(dòng)控制算法，降低MCU的運(yùn)算負(fù)荷。

FOC****算法框圖

電機(jī)三相電流ia, ib, ic電流產(chǎn)生定子磁場(chǎng)，和電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)相互作用讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在最高效的模式，需要讓定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終保持在一定角度，同時(shí)根據(jù)負(fù)載大小控制定子磁場(chǎng)大小。FOC控制重點(diǎn)就是控制電機(jī)定子的三相電流ia, ib, ic的大小和相位。

FOC常應(yīng)用在家電變頻控制和機(jī)器人的伺服控制。上圖是通用的家電變頻控制框圖，只需要對(duì)速度做實(shí)時(shí)控制，所以最外部環(huán)路只有速度環(huán)，不需要位置環(huán)。

以下對(duì)上圖中變頻控制做簡(jiǎn)單講解，F(xiàn)OC控制整個(gè)流程包括：

1. ia, ib, ic電流解耦：對(duì)采樣的ia, ib, ic電流依次做Clarke變換和Park變換得到實(shí)時(shí)直流量id 和 iq。解耦過程是使電流相位互差120度的ia, ib, ic正弦電流最終變成 直流量id 和 iq。
2. 電流環(huán)：因?yàn)殡娏鹘怦詈笥?id 和iq 兩個(gè)實(shí)時(shí)直流量，所以需要2路電流環(huán)：d軸電流環(huán)和q軸電流環(huán)。電流環(huán)控制一般使用PI控制器。PI控制器包括參考輸入和實(shí)時(shí)反饋輸入。
   ◆ d軸PI控制：參考輸入一般是0，實(shí)時(shí)反饋輸入就是id，輸出是d軸電壓Vd
   ◆ q軸PI控制：參考輸入來源于速度環(huán)的輸出iq*，實(shí)時(shí)反饋入就是iq，輸出是d軸電壓Vq
3. 速度環(huán)：類似于電流環(huán)，需要參考目標(biāo)速度We* 和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速We, We 目標(biāo)轉(zhuǎn)速是FOC控制以外給定的， 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速We可以通過位置估算器得到。速度環(huán)的輸出iq 。
4. 位置估算器：家電變頻控制一般沒有位置傳感器，所以需要軟件算法去估算，一般算法包括PLL鎖相環(huán)方式 和 滑模控制， 核心都是軟件建立電機(jī)模型去估算速度和位置。
5. 電壓反變換：轉(zhuǎn)換Vd 和Vq到Va, Vb, Vc跟電流解耦剛好相反，從直流量轉(zhuǎn)到相位差120度的三相正弦電壓。
6. 硬件開關(guān)管控制：通常使用SVPWM，是為了使三相電壓Va, Vb, Vc映射到硬件開關(guān)管如何開通。

TRINAMIC的運(yùn)動(dòng)控制解決方案目前廣泛應(yīng)用于3D打印，家庭自動(dòng)化，工業(yè)自動(dòng)化，機(jī)器人和AVG小車，Lab automation，醫(yī)療健康設(shè)備，電動(dòng)工具以及消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域。

從TRINAMIC電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)方案中，我們不難看出，日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求要求電機(jī)控制更加智能化。融合先進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)，電機(jī)控制將更加精準(zhǔn)可靠，數(shù)據(jù)處理能力更加強(qiáng)大。智能制造的發(fā)展正朝著邊緣化方向演變，以加速推動(dòng)工廠生產(chǎn)的自動(dòng)、智能、高效。