簡化BLDC馬達設(shè)計的FOC控制技術(shù)

從手機中的小型振動馬達到家用洗衣機和空調(diào)中使用的更復(fù)雜的馬達，馬達已成為消費領(lǐng)域中的日常裝置。馬達同樣也是工業(yè)領(lǐng)域中的一個重要組成部分，在很多應(yīng)用中廣泛運用，如驅(qū)動風(fēng)扇、泵等各種機械設(shè)備。這些馬達的能量消耗是非常巨大的：研究表明，僅在中國，馬達所消耗的能源占工業(yè)總能耗的 60% 至 70%，其中風(fēng)扇和泵所消耗的能源占中國整體功耗的近四分之一。盡管這個數(shù)字在其他國家可能沒那么高，但降低電子系統(tǒng)中的馬達能耗已在全球成為必須優(yōu)先考慮的議題。

一個多世紀以來，傳統(tǒng)的交流 （AC） 馬達已被廣泛使用。交流馬達是設(shè)計最簡單的感應(yīng)馬達，但他們卻造成了大量能源的浪費。這是因為交流馬達只輸出恒定速度，不能隨工作條件的變化進行自適應(yīng)。現(xiàn)在已有一些調(diào)節(jié)交流馬達速度的簡單方法（例如，可以提供三種速度選擇的標(biāo)準家用風(fēng)扇），但這些方法的應(yīng)用范圍有限，而且難以轉(zhuǎn)移到更為復(fù)雜的系統(tǒng)。

但對于直流 （DC） 馬達，可以通過改變電壓來改變和控制速度，從而根據(jù)應(yīng)用需要來加快或減慢工作速度。這可以節(jié)省大量的能源，因為馬達可以根據(jù)需要的條件來運行。在一般情況下，DC 馬達比 AC 馬達更有效率。

圖一 ： 用更小、更高效的 BLDC 馬達代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 AC 馬達可以節(jié)約能源并降低成本，但 BLDC 控制所需的演算法非常復(fù)雜，以至於很多設(shè)計師都不愿進行轉(zhuǎn)換。為 BLDC 馬達控制而專門設(shè)計的專用 IC 可以令這項工作變得更為容易。

BLDC馬達的優(yōu)勢

DC 馬達可被設(shè)計為有刷馬達或無刷馬達。無刷直流 （BLDC） 馬達通常是大多數(shù)應(yīng)用的最佳選擇。這種馬達更可靠、更安靜，產(chǎn)生的電磁輻射更少，并且更為安全，因為它們消除了由于電刷和換向器而產(chǎn)生的火花。BLDC 馬達體積更小、效率更高，這意味著它們需要使用更少的能源。

BLDC 馬達的運行溫度低于 AC 馬達，更為高效的設(shè)計使得其內(nèi)部零件產(chǎn)生的熱量更少。 這不僅能夠增加軸承系統(tǒng)的使用壽命，還能夠提高電氣系統(tǒng)及風(fēng)機的可靠性。

此外，BLDC 馬達的功率密度也高于 AC 馬達。對于相同的能量輸出，DC 馬達的體積和重量都小于 AC 馬達。這使得 BLDC 馬達的運輸和安裝更為容易且成本更低。

不過，使用 BLDC 馬達的麻煩之處在于系統(tǒng)需要更復(fù)雜的電子設(shè)備來管理馬達。馬達控制一向不是電子工程師的重點領(lǐng)域，許多開發(fā)人員因缺乏經(jīng)驗或?qū)I(yè)知識而無法輕松設(shè)計出必要的控制電路。BLDC 馬達的研發(fā)需要額外的時間和技術(shù)支持，這意味著需要更長的開發(fā)周期及更高的系統(tǒng)成本，這就使得系統(tǒng)制造商更難以從熟悉的 AC 馬達過渡到 BLDC 馬達。

然而，對于越來越多的制造商來說，使用 BLDC 馬達產(chǎn)生的復(fù)雜性并不會隨著市場對更節(jié)能家電需求的增加而有所抵銷。 2011 年 IMS 調(diào)查顯示，中國大約 40% 的空調(diào)采用了變頻控制 BLDC 馬達。這種情況呈上升趨勢，并且，在某種程度上，得助于因?qū)?BLDC 馬達控制而設(shè)計的專用電路。

無傳感器磁場導(dǎo)向控制技術(shù)

用于控制 BLDC 馬達的傳統(tǒng)方法采用的是驅(qū)動定子的六步過程，由此在產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩上產(chǎn)生脈動。所謂的「六步方波」過程采用霍爾效應(yīng)傳感器來檢測 BLDC 馬達中的永磁位置。

六步過程相對簡單，但容易產(chǎn)生噪音，并且對于需要根據(jù)條件的變化快速改變馬達轉(zhuǎn)速的更先進應(yīng)用來說，其響應(yīng)能力不足。以洗衣機為例，負載根據(jù)所選擇的洗滌周期有所不同，并且在整個周期過程中也有所變化。在滾筒式洗衣機中，這種情況更加復(fù)雜，當(dāng)衣物旋轉(zhuǎn)到滾筒頂端時，重力會對馬達產(chǎn)生影響。

在這些情況下，需要一個更先進的算法。磁場導(dǎo)向控制 （FOC） 能夠提供速度快速變化所需的響應(yīng)時間，已成為當(dāng)今更先進節(jié)能家電的馬達控制方法選擇。

有多種方式可以實現(xiàn) FOC。其中一個方法是使用傳感器（與六步方波過程方法類似），但傳感器較難以安裝和維護，尤其是在應(yīng)用涉及復(fù)雜線束或馬達暴露在水中時。實現(xiàn) FOC 更簡單、更具成本效益的方法是取消傳感器。無傳感器 FOC 涉及由永久磁鐵在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的恒定轉(zhuǎn)子磁場，是一種非常有效的控制方法。

FOC 方法可以讓馬達在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)順利運轉(zhuǎn)，在零速時產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，并能夠快速加速和減速。事實上，由于馬達的尺寸小、成本和功耗低，無傳感器 FOC 的諸多優(yōu)勢使其在對性能要求較低的應(yīng)用中成為廣受歡迎的選擇。