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永磁同步电机（PMSM ）、无刷直流电机的控制以及开关模 式电源（SMPS）的设计 作者： Daniel Torres 飞思卡尔半导体公司应用工程师 简介 现在，大部分帮助我们生活得更轻松、更舒适的设备都需要机械运动的控制，诸如 洗衣机、冰箱、风扇、空调、电动工具和搅拌器等等。 所有这些设备都需要消耗能量以产生机械运动，而有效利用能源的途径取决于控制 系统、电气机构的设计及控制算法等。我们面临的一个最大挑战就是能源的有效利 用。对于这个问题，绝大部分的工作都集中在机械运动控制系统上。因此，许多节 能方面的进步是通过改进电机控制技术、结构设计、材料和制造精度来实现的。 早在几年前，人们就已经开发出了更高效的控制技术，但执行这类复杂算法和计算 所需的 CPU 成本较高，不能满足成本敏感市场（如家电市场）的需求。这种情况 在最近几年已经发生了变化，成本更低并且具有执行这些复杂的控制算法所需的所 有功能的高性能数字信号控制器已经面世。 实现节能的另一个开发领域是功率转换。功率转换系统用于将电能从一种形式转换 为另一种形式，在此过程中，由于系统的固有能耗、拓扑结构的效率、控制技术以 及所采用的电子元器件，必然会产生一定的能量损失。大部分功率转换控制是由模 拟电路实现的，但新的节能法规提出的要求越来越高，使得模拟控制的系统越来越 难以满足这些要求。 1 MCU 和DSC 的使用为此开辟了新的前景。现在，借助数字控制技术和由高性能、 低成本的数字信号控制器（DSC ）实现的复杂数学运算，功率转换系统的效率达到 98%是完全可行的。 设计中的难点 机械运动控制设计中的难点 在机械运动控制中会使用多种电机，包括无刷直流电机、有刷换向永磁直流电机、 线性电机和步进电机等。 系统工程师不但需要选择正确的电机来完成机械动作，还必须选择适当的控制环路 结构来满足系统的机械和电子时变响应的要求。控制环的调节通常在电子驱动装置 的设计阶段进行。由于不同的电机对电子驱动装置有一系列不同的设计要求，开发 人员可能需要处理大量的设计变量。此外，由于电动机的感性特点，它容易造成电 磁干扰（EMI ）、射频干扰（RFI ）和具有破坏性的瞬间高能量，因此，电机本身 也使电子驱动装置的设计变得更为复杂。这类电子驱动设备的设计不但要避免电磁 干扰（EMI ）和射频干扰（RFI ），还必须能够承受瞬间过电压和过电流的情形。 BLDC 电机已广泛应用于许多领域。BLDC 电机不带换向器，因而比直流电机更可 靠。BLDC 电机在许多方面也优于交流感应电机。BLDC 电机通过转子磁体生成旋 转磁通，具有很高的效率，因而它们一般用于高端家用电器（如冰箱、洗衣机和洗 碗机）、高端水泵、风扇和其它需要较高可靠性和效率的设备中。也由于 BLDC 电机的结构非常牢固，它们广泛应用于泵、风扇和压缩机等应用中。这些应用的共 同特点是它们不需要位置信息，只需要速度信息，而且只需要控制速度。BLDC 电 机的使用不需要复杂的控制算法。 2 在 BLDC 电机中，必须知道转子的位置，才能提供相电压对并控制其电压值。如 果用传感器检测转子的位置，那么检测到的信息必须传送到控制单元中去。 这就需要与电机建立额外的连接，可是这在有些应用中是无法接受的。有时候可能 无法建立与位置传感器的物理连接。有时，位置传感器和布线所产生的费用可能是 无法接受的。虽然物理连接的问题可以通过在电机内部集成驱动器的方法加以解 决，但大量的应用由于低成本的特点，需要无传感器的解决方案。 永磁同步电机（PMSM ）可以用一个与电源频率同步的恒定速度进行旋转，而不受 负载和线路电压的影响。电机运行可以保持恒定的，与电源频率同步的速度，只要 转矩不超过电机的极限运行值。因此，PMSM 是高精度定速驱动的理想选择。 3 相 PMSM 是一种永励电机。它能产生非常高的功率密度、非常高的效率和极好 的响应，所以能适应机械工程领域中最复杂的应用。另外它还具有很强的过载能 力。PMSM 基本上不需要维护，因此可以确保最高效的运行。 高精确的速度规定使PMSM 成为特定工业过程的理想选择。PMSM 的速度/转矩特 性非常适用于直接驱动大马力、低转速（rpm ）的负载。 同步电机能够以较高的功率因数运行，因