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开发所用的技术知识

在电机驱动器课堂中，之前我们已经介绍了电机驱动器的入门技术。这些内容不仅包含电机驱动器单体的规格说明，还从无刷电机的旋转原理开始，涵盖了电机驱动器的电机驱动工作、电路规格、电机特性（输出特性、效率、噪声）以及可靠性等与电机相关的内容。我们将这些知识作为电机驱动器开发中不可或缺的内容进行了讲解。然而，要高效推进新技术研发及难题攻关等技术开发工作，还需要掌握更广博且更精深的知识。这些广博且精深的知识，可以视为与至今为止的入门技术（基础知识）不同层级的知识。

本文我们将对技术开发中使用的知识层级（级别）进行说明，并介绍其中的部分知识内容。

第12集目录

• • 知识层级和开发流程
  • 电路的深度知识
  • 结构和材料的深度知识
  • 使用知识
  • 驱动的应用知识

知识层级和开发流程

首先，我们需要说明的是，技术和元器件的相关知识存在多种不同的类型。以电阻器为例，其作用、特性和额定值等知识可视为基础知识。掌握这些基础知识可称得上“了解”电阻器，但电阻器相关的知识还包括使用知识（面向使用方的知识、应用场景、使用环境、要求和难题等）以及根源知识（材料、原理、结构和技术演变等）。相较于前述基础知识，这些可称为广博的知识和精深的知识。而在开发电阻器时，这些广博且精深的知识非常重要。这是因为首先需要使用知识来确定开发目的和目标，其次运用根源知识思考问题发生原因和解决方案来实现成功开发。

 

电机驱动器的知识也是如此。电机驱动器也包括基础知识、使用知识和根源（深度）知识，这些知识都是开发所必需的。另外，由于电机驱动器是驱动电机的装置，因此掌握电机相关的这些知识有助于更全面地开展开发和解析工作。

 

之前的电机驱动器课堂中介绍的技术内容是电机驱动器知识中的基础部分。这些知识不仅是了解电机驱动器的重要基础，也是理解周边知识内容的必备前提，因此必须首先掌握。

所谓的“周边知识”是指无刷电机的核心技术知识、电机和电机驱动器的使用相关知识以及电机驱动的应用知识。

核心技术知识主要包括电机材料、电机结构、控制算法和电路技术的知识。有了这些知识，就可以研究如何提高电机驱动器的性能和功能，并分析问题产生原因，研讨解决方案。

使用知识包括应用场景、目的和环境、产品性能、要求和难题、市场趋势等。这些知识将成为确定电机驱动器规格时的指标和判断依据。

电机驱动的应用知识包括性能优化控制和高精度驱动工作。这些知识既是基于前述使用知识所必需的，又可视为建立在基础知识和核心技术知识之上的知识。

 

再次强调一下，开发电机驱动器时，掌握并综合运用这些知识至关重要。如果单独掌握各项知识，但无法如下图所示将问题、原因、改进、方案制定、效果和有效性联系起来，开发工作仍无法完成。在电机驱动器课堂中，我们已经介绍了将这些关联起来所需的基础知识。今后，我们将积累上述知识，并以此为基础不断推进新技术的开发。

  在课堂的最后，我们将介绍其中一些广博且精深的知识。

电路的深度知识

＜霍尔器件＞

我们已经介绍过，霍尔器件用于检测转子永磁体的磁极进而判断转子位置（请参阅第2集无刷电机中的霍尔器件（霍尔IC）（※链接至第2集的无刷电机中的霍尔器件（霍尔IC））。其中提到检测信号（输出电压）与穿过霍尔器件的磁通密度成正比，但霍尔器件的输出电压特性还会受到材料、电流量和温度的影响。

例如，电子迁移率和带隙会根据材料不同而变化（见下表）。电子迁移率会影响霍尔器件的灵敏度，而带隙则会影响其温度特性。

这里的灵敏度是指当霍尔器件中流过相同大小的电流并置于相同强度的磁场时，输出电压的大小（灵敏度越高，输出电压越大）。但是，这种灵敏度会随温度而变化。另外，即使在相同强度的磁场中，如果流过的电流变大，输出电压也会成比例增加。

关于温度特性，下图展示了锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和砷化镓（GaAs）三种霍尔器件的输出变化示意图。该特性是在被称为“恒流型”的电路结构中使用霍尔器件时的特性。在常温（25℃）或低温条件下，InSb的灵敏度较高，因此输出也较大。然而，从图表中可以看出，温度越高，输出显著下降。GaAs虽然原本的灵敏度较低，但随温度的变化较小。InAs可以说是平衡型霍尔器件。

抑制这种温度变化的方法之一是采用一种被称为“恒压型”的电路结构。霍尔器件的电阻值会随温度而变化。例如，InSb的电阻值会随温度升高而显著下降。因此，当施加恒定电压时，可通过增加电流来抵消输出电压的下降，从而获得近乎稳定的输出。这种使用方法虽然可以抑制输出电压的变化，但需注意流过的电流会随温度发生显著变化。

另外，上述电路图只有一个霍尔器件，但三相电机中可能使用多个霍尔器件。在这种情况下，霍尔器件和电源的连接方法可以考虑串联和并联两种，因此需要在设计阶段进行选择。

从另一个角度来看，磁场方向和霍尔器件位置（倾斜）之间的关系也很重要。根据磁场方向是否垂直于器件，输出电压会有所不同。

了解霍尔器件的使用有助于研讨电机驱动器的霍尔信号输入引脚的规格、信号精度（位置偏差）相关问题、噪声处理方法以及功耗等。

 

＜功率晶体管＞

在之前的电机驱动器课堂中，我们主要介绍了功率晶体管中的N型MOSFET（请参阅第10集功率晶体管（※链接至第10集的功率晶体管））。MOSFET根据栅极和源极之间的电压值来实现导通和关断。该开关过程中的速度（斜率）会影响功率晶体管的损耗和噪声的产生，因此通过在栅极上安装电阻器或电容来调节开关速度是构建电路时的设计项目之一。

下面将详细介绍该开关动作。下图展示了在IN端施加电压使MOSFET导通时的工作情况。图中的横轴是时间。在IN端施加电压后，经过下图A、B、C、D的工作顺序后导通。另外，本介绍中假定绕组电流已按图示方向流动，且在MOSFET导通前是朝图的上方流动。关断工作则相反。

了解此类工作后可知，若要调节V_ds和I_d的开关速度，不仅要考虑连接到栅极的电阻器和电容的取值，还需将IN端电压的调节纳入考量范畴。

＜升压电路＞

这里的升压电路指的是第10集“电平转换”（※链接至第10集的电平转换）中介绍的电路（为高边N型MOSFET导通提供所需电源的电路）。本节简单介绍一下电机驱动器中广泛采用的电荷泵电路和自举电路。

电荷泵电路的结构如下图所示（图中只显示了功率晶体管的一个相位）。在该电路中，VCP1会周期性地在GND电位与V_DC电压之间循环工作。当VCP1电压处于GND电位时，V_CC电压会充电至C1。当VCP1达到V_DC电压时，该电压会充电至C2。通过重复此工作，VCP将始终被施加V_DC＋V_CC的电压。当电机驱动器IC将此电压作为HO输出时，高边功率晶体管导通。

自举电路的结构如下图所示（由于每相单独一个结构，因此，三相时需要三个电路），该电路的工作原理是，首先使低边功率晶体管导通，这样会使VS变为GND电位，随即V_CC电压充电至C1。该电压成为VB电压。当电机驱动器IC将VB电压作为HO输出时，高边功率晶体管导通。该VB电压是以高边功率晶体管的源极电位（图中VS）为基准生成的。因此，即使高边导通（低边关断）且VS处于V_DC电压的情况下，VB仍为V_DC＋V_CC电压，从而维持导通状态。

实际上，二极管产生的电压降和MOSFET导通电阻产生的电压降都会影响充电电压，但此处暂不展开介绍。

 

通过对比这两种电路可知，自举电路需要创造VS变为GND电位的时段才能对C1充电，而电荷泵电路的优势在于通过IC内部调节VCP1电位，可随时对C1和C2进行充电。然而就导通高边功率晶体管的电源而言，以VS为基准叠加V_CC电压的自举电路可以说更为稳定。另外，元器件数量也有差异，因此需要了解这些知识并进行更优设计。

在升压电路中，VCP1频率的设计会影响电气噪声的产生，而C1等充电电压下降的相关设计则关乎功率晶体管导通和关断的稳定性。

结构和材料的深度知识

＜极数和槽数＞

本节将对第2集“电机的极数和槽数”（※链接至第2集电机的极数和槽数）中所述的极数和槽数的结构进行介绍。

三相无刷电机极数与槽数的基本结构为2极3槽，在保持2:3比例不变的前提下，可扩展为4极6槽或8极12槽等结构。极数较少的电机由于每旋转一周的电气周期数较少，故更适用于高速旋转的场景。极数较多的电机，其机械角度相对于电角度变小，因此可以说更容易提升位置控制等的控制性能。

槽数越多，就可以减少每个齿槽上缠绕的导线匝数。下图展示了6槽与12槽绕组的示意图。当槽数增至两倍时，可以分散匝数，将单个齿槽的匝数减半。绕组通常采用如图所示的重叠缠绕方式，但重叠的层数越多，每圈的直径就越大，因此绕一圈所需的导线长度也会增加。这意味着重叠缠绕的层数越多，电阻值的增量就越大。因此，采用可减小绕组直径的12槽结构可以降低电阻值，减少铜损，提升电机效率。另外还能缩短轴向长度，有助于实现电机的薄型化。

然而，多极多槽电机的机械角度偏差在换算为电角度时会变大。因此，在控制开发中，需要考虑诸如霍尔信号偏差变大的情况再进行设计。

极数与槽数的组合除2:3比例外，还包括8极9槽和10极12槽等结构。此类结构的电机，其被称为“绕组系数”的特性值有所不同。绕组系数由短距系数与分布系数的乘积计算得出。

短距系数通过将磁体宽度与齿槽顶端宽度换算为角度后，利用三角函数计算得出，其最大值为1（见下图计算公式）。分布系数是根据各相线圈（12槽时每相4个线圈）与对应磁体之间的相位差（≈各相产生的感应电压的相位差）计算出来的。若无相位差，则数值为1。绕组系数越接近1，表明磁体的利用率越高，电机效率也呈升高趋势。

该绕组系数在8极12槽时为0.866，而10极12槽时达到0.933，由此效率有望获得提升。然而除了效率方面外，绕组工艺的复杂性、容易发生电气不平衡、定子受力不均等问题也需要考虑。

对于电机驱动器来说，如果可以通过提高电机的效率来降低绕组电流，功率晶体管的容许损耗设计上可能会有更大的裕度。另一方面，需要考虑电气不平衡的发生。

 

＜SPM和IPM＞

这里的SPM和IPM指的是内转子型无刷电机的转子结构。将永磁体布置于转子表面的结构称为SPM（表贴磁体式：Surface Permanent Magnet），而将永磁体嵌入转子内部并赋予磁凸极性的结构则称为IPM（嵌入磁体式：Interior Permanent Magnet）。使用相应结构的电机可分别称为“SPM电机”和“IPM电机”。另外，第10集“电机驱动器的结构”（※链接至第10集电机驱动器的结构）中也使用了IPM一词，但该处的IPM（Intelligent Power Module）是指将电平转换和功率晶体管一体化封装的IC。由于它们在电机术语中是相同的首字母缩写，因此需要结合上下文语境判断其具体指代含义。

SPM转子有由树脂磁体制成的和将磁体粘贴在铁芯上的转子等类型。由于转子表面完全被永磁体覆盖，因此不存在磁凸极性，电机仅利用永磁转矩即可转动。

IPM转子采用将永磁体嵌入铁芯内部的结构，通过永磁体的排布使其具有磁凸极性，并同时利用永磁转矩和磁阻转矩。这两个转矩的更优比率根据电机的输出和尺寸而变化，因此设计出了多样化的排布方式。通过优化设计以有效利用永磁转矩和磁阻转矩的IPM电机，其最高效率可高于SPM电机（不一定适用所有的无刷电机）。

在驱动控制这两类电机时，需要理解其更优电流相位的差异。在SPM电机中获得永磁转矩的更优电流相位是在相对于转子磁体成90度电角度位置产生绕组磁场的相位（见下图）。另一方面，磁阻转矩的更优相位如下图所示，是在与具有凸极性的铁芯成45度的位置。IPM电机需在这两个转矩之和达到最大的位置生成绕组磁场。

该转矩可以用以下简化公式表示。A项表示永磁转矩，B项表示磁阻转矩。根据该公式可推导出使转矩T达到最大的电流相位θ，但是A和B会随IPM转子结构而变化。另外，由于永磁转矩与电流呈一次方关系，而磁阻转矩与电流呈二次方关系，因此更优电流相位还会随输出转矩的大小而变化。

\(T = A \cdot i \cdot \cos\theta + B \cdot i^2 \cdot \sin 2\theta\)

电流相位控制对于实现IPM电机的高效率非常重要。另外还需要了解SPM和IPM的磁石排布差异会影响霍尔器件的转子位置检测。

 

＜永磁体＞

永磁体是对无刷电机特性有很大影响的部件，其规格主要根据磁体材质、成型方法和取向进行分类。

首先，磁体材料有钕磁体和铁氧体磁体两种，两者的剩余磁通密度、矫顽力和温度特性等各有不同。

 

钕是一种稀土材料，而铁氧体磁体的主要分量是氧化铁，因此其特点是相对容易获得。

主要的成型方法有粘结磁体和烧结磁体。粘结磁体是将磁体材料和树脂材料混合并通过注塑成型加工成所需的形状。烧结磁体是通过烧结磁粉实现成型。由于烧结收缩，可以说这些磁体较难实现高精度尺寸。烧结磁体往往具有更高的磁力。钕和铁氧体均可用作材料。

取向​​是指将磁体材料晶体的朝向一致，或已经排列一致的状态。晶体中存在易于磁化的方向和难以磁化的方向。因此，晶体朝向未对齐的磁体与朝向对齐的磁体在特性上会有所不同。

朝向未对齐（未取向）的磁体称为“各向同性磁体”。这种磁体可以向不同方向磁化。

朝向对齐（取向）的磁体称为“各向异性磁体”。这种取向是在磁体成型过程中实施的。通过沿该取向方向进行磁化，可产生比各向同性磁体更强的磁力，但成型后很难改变磁化方向。各向异性磁体有被称为“径向各向异性”和“极向各向异性”两种取向形状（见下图）。径向各向异性转子适合矩形波充磁，极向各向异性转子则更适合正弦波充磁（关于充磁波形，请参阅第4集“无刷电机的感应电压波形”（※链接至第4集无刷电机的感应电压波形））。

这些特性的差异会对电机控制产生影响。例如，矫顽力（退磁特性）的差异会影响电流限制的设定，而高温下磁通密度的下降则直接关系到感应电压和霍尔信号的检测。成型方法和取向可能与充磁不均和感应电压畸变有关，因此需要从转矩脉动的角度评估其与电机控制的关系。

使用知识

＜风扇负载＞

电机的应用场景之一是用于送风的风扇。电风扇、换气扇、电脑等电子设备的空气冷却以及空调的送风等，为实现送风，存在着多种不同形态的产品。驱动这些风扇旋转的电机也普遍采用电器驱动器IC。

将风扇作为电机（电机驱动器）的控制对象时，具有以下特征：

・旋转所需的转矩与转速的平方成正比

当转矩呈平方增长时，意味着电机电流也将以平方增大。同时可知输出按三次方增长，铜损按四次方增长，且施加电压和转速并非是线性比例关系。

・存在惯性（开启和关闭时）

由于惯性，在加速过程中需要转矩，且关闭电机后也不会立即停止。在电风扇或空调的送风用途中，快速加速并不重要，但对于CPU空气冷却等用途，达到目标转速所需的时间可能很重要。另外还要记住即使关闭后，仍会持续产生感应电压。

 

・存在惯性（匀速时）

由于惯性，会产生持续匀速旋转的力。在即使存在电机输出转矩波动或外部扰动（如外部风等），仍能维持一定的转速这一前提下，可构建电机驱动控制。

 

・旋转方向固定

除非风扇有特殊设计，否则其旋转方向是固定的。在无需频繁切换旋转方向这一前提下，可构建电机驱动控制。

 

・存在风噪

风扇转动时会产生风噪。该噪声随转速升高而变大。被这种噪声掩盖的其他噪音可能会被忽视。

 

・随外部风旋转，承受外部风

有些风扇所处的环境会因外部风力而转动，且可能要求其从该状态下启动（开始电机驱动）。在这种情况下，还可能存在从反转状态下启动的情况。此外，还需要考虑旋转过程中顺风和逆风引起的转矩变化。

 

・风力作用于电机

在风扇风力吹向电机的结构中，电机可能被冷却，但在输送热风的结构中，也可能导致电机升温。

 

・负载转矩随气流变化而变化

若阻塞风道或拆除导流装置，风扇的转速-转矩特性曲线将发生变化。此外，如下图所示，带风扇的电机在组装入产品与独立运行时（单体状态下），其特性也可能发生变化。

在设计使风扇转动的电机所用的电机驱动器时，我们需要了解上述内容，同时综合考虑驱动方法、通电波形算法、噪声、效率和温度保护等进行设计，并解决相关难题。

驱动的应用知识

＜电机控制＞

首先需要说明的是，电机控制（驱动无刷电机的相关控制）存在多个层级。下图为其概念图，最上层为电机的开关及其时序控制（状态控制）。这部分相当于主要是负责配备电机的产品控制的控制部分。其次是速度、转矩及转子角度（位置）的控制（输出控制）。最后是电机的驱动控制。这可以说是控制施加到绕组上的电压波形和时序，使电机实际获得转矩的控制部分。在该驱动控制中，作为性能附加控制，包含超前角控制及转子位置检测等。

最简结构可仅由状态控制和驱动控制组成。如果要增加转速和旋转角度等的管理，需追加输出控制。如果想要提升电机性能及功能，需考量与驱动控制相匹配的附加控制并予以追加。

※状态控制等术语在这里表示控制的概念，在其他语境中也可能具有不同含义。

之前的课堂中介绍的内容主要是上述控制层级中“驱动控制”和“附加控制”的基础部分。本节我们将进一步介绍一些广博且精深的技术内容，包括驱动控制部分的“磁场控制方法”和“通电波形控制”，以及附加控制部分的“性能提升控制”。

・磁场的控制方法示例

＜电压方向控制＞

电机驱动器确定转子位置并根据该位置控制施加到绕组的电压方向（电气周期中的角度）的方式。该方式可直接将转子位置信息转换为通电波形输出，因此控制算法相对简单。该方式广泛应用于电机驱动器IC中，本课堂是以该方式为前提进行介绍的。

＜矢量控制（FOC）＞

FOC（Field Oriented Control）是磁场方向控制。电机驱动器检测转子位置并在与该位置相应的方向上生成磁场的控制。磁场方向的控制就是对绕组电流的控制，通过计算施加到绕组上的电压以获得预期的电流。因此，通常需要电机绕组的电阻值、电感、感应电压常数等电压计算所需的参数。由于通过电流指令即可轻松实现转矩控制，因此适用于位置控制。此外，可以调整电流值和相位，因此也适用于上述IPM电机的控制。由于需要使用各类参数进行电压计算，控制算法相对复杂，因此通常会在电机驱动器中使用微控制器。

＜强制同步驱动＞

这里的强制同步驱动是指电机驱动器无需确定转子位置，以任意转速旋转磁场的控制。调整转速和电流大小（施加电压的大小），使转子能够跟随磁场转动。该方式可以使电机持续旋转，但由于存在效率和可靠性（失步）问题，因此通常作为无法确定转子位置时的临时驱动方法使用。无法确定转子位置的情况是指诸如无传感器驱动的启动阶段等。由于可以通过生成虚拟转子位置来创建施加电压，因此无论是电机驱动器IC还是微控制器均可适用。

・通电波形控制示例

＜120度矩形波通电＞

电压方向控制的通电波形之一。转子位置划分为6个区间，并改变电压施加方向。它可以由来自三个霍尔器件的信号和PWM信号轻松生成。转矩脉动比其他通电方式更大。

＜150度通电＞

电压方向控制的通电波形之一。又称“广角通电”或“梯形波通电”。转子位置划分为12个区间，并改变电压施加方向。由于仅通过来自三个霍尔器件信号的简单逻辑电路无法生成波形，因此需要倍频电路。这里的倍频电路是指通过60度电角度的信号生成30度、10度、1度等角度信号的电路。根据通电形状，可以比120度矩形波电流更有效地抑制转矩脉动。

＜正弦波通电＞

电压方向控制的通电波形之一。转子位置划分为任意区间，并改变电压施加方向。区间划分得越精细，波形就越接近正弦波，从而有望实现更优的转矩脉动抑制效果。精细划分需如同150度通电一样采用倍频电路。下图的波形是利用PWM控制实现纯正弦波时的波形。除上述以外，正弦波通电还有两相调制正弦波等多种波形（请参阅第7集“无刷电机：正弦波驱动的波形”（※链接至第7集无刷电机：正弦波驱动的波形））。

・性能提升控制的示例

＜超前角自动调整控制＞

电压方向控制的性能提升控制之一。自动调整第7集“无刷电机的超前角控制（超前角调整）”（※链接至第7集无刷电机的超前角控制（超前角调整））”中介绍的超前角调整的角度（相位）来保持高效率的控制。自动调整的方法有多种，既存在通过检测正弦波通电的绕组电流相位并调节电压相位以匹配期望位置的方式，也存在根据某些状态值（转速、电流、施加的电压指令等）改变电压相位的方式。在后一种控制中，状态值和超前角之间的对应比例关系通常是预先确定的（根据每个电机规格进行调整）。要实施这些控制，需要了解施加电压与绕组电流之间的相位关系、电流检测知识、电路知识和控制算法知识等。另外，由于矢量控制原本是一种电流调整控制，因此“超前角调整”的概念较少被讨论。

 

＜转子初始位置检测＞

这是不使用霍尔器件等位置检测器的驱动控制（无传感器控制）中使用的性能提升控制之一。在电机绕组中流过不改变转子状态的瞬时电流，并根据此时电流和绕组电压的变化情况来检测转子当前位置的方法已被广泛应用。这种控制需要了解永磁体的磁通量引起的电机绕组的电感变化以及铁芯的磁饱和现象的知识。

 

＜能量回馈抑制＞

防止发生能量回馈的控制。虽然可以利用电机的再生能量，但当电源电路无法吸收该能量时，电源电压的升高可能会影响可靠性。目前正在考虑优化供电电压的下降方法和功率晶体管的开关方式等（请参阅第7集“无刷电机：同步整流（高低边PWM）”（※链接至第7集无刷电机：同步整流（高低边PWM））。这种控制需要了解电机的惯性、感应电压产生机制和PWM控制等相关知识。

 

＜电流限制＞

这里我们主要将其作为应用于电压方向控制的性能提升控制之一进行介绍。这是一种限制流向电机驱动器的功率晶体管及电机绕组的电流的控制。当电流超过设定值（阈值）时，有的会在一段时间内切断电压供应，有的会调整PWM控制的Duty。切断时存在多种开关方式，需根据目的或应用场景进行区分使用。这种控制需要了解损耗、发热、电路、PWM控制和控制算法的相关知识。

 

这里介绍的控制是作为用于驱动电机的控制示例之一分别进行说明的，但各控制之间是相互关联的。这种关联性体现在能否附加该控制、是否需要附加、是否存在冲突、或是否无法同时实现等。例如前文所述，矢量控制无需附加自动超前角调整控制；而要实现该矢量控制，采用120度矩形波并不现实（在矢量控制中，不会讨论类似电压方向控制中的通电波形）。

因此，在构建电机驱动控制（电机驱动器）时，需要了解各控制的内涵，并根据目的和需求进行组合使用。

以上就是电机驱动器开发中所用知识的介绍。这里提到的知识层级划分仅代表一种观点，从不同视角或许存在其他技术归类方式。但无论如何，在进行新产品开发或问题解决时，广博而精深的知识以及将这些知识融会贯通的技术研发能力始终不可或缺。希望大家能从知识和难题中不断增长新的知识（技术）。若本课堂的内容能成为这些知识中的一块基石，我们将深感荣幸。