无传感器的矢量控制（无传感器矢量控制是什么意思）

机器人、无人机、医疗设备和工业系统等应用对精确运动控制的需求不断增长。无刷直流电机(BLDC) 和交流驱动永磁同步电机(PMSM) 可以提供所需的精度，同时满足紧凑外形中的高效率需求。然而，与易于连接和操作的有刷直流电机和交流感应电机不同，BLDC 和PMSM 要复杂得多。

例如，无传感器矢量控制（也称为磁场定向控制或FOC）等技术尤其具有出色的效率和无需传感器硬件的优势，从而降低了成本并提高了可靠性。设计人员面临的问题是，无传感器矢量控制实施起来很复杂，因此使用无传感器矢量控制将延长开发时间、增加成本，并可能错过上市时间窗口。

为了应对这一挑战，设计人员可以求助于已经内置无传感器矢量控制软件的开发平台和评估板，使他们能够专注于系统设计问题，而不是陷入控制软件编码的细微差别中。此外，这些开发环境包括将所有电机控制器和电源管理硬件集成到一个完整的系统中，从而加快上市时间。

本文简要介绍了精密运动控制的一些要求，并回顾了有刷直流电机、交流感应电机、BLDC 电机和永磁同步电机之间的差异。然后总结矢量控制的基础知识，然后介绍[德州仪器]、[英飞凌科技]和[瑞萨电子]的几个平台和评估板，以及促进精密运动控制系统开发的设计指南。

精密运动控制应用示例

无人机是复杂的运动控制系统，通常使用四个或更多电机。需要精确且协调的运动控制才能使无人机悬停、爬升或下降（图1）。

图1：无人机通常使用四个或更多电机（通常为BLDC 或PMSM），以每分钟12,000 转(RPM) 或更高的速度旋转，并由电子速度控制器(ESC) 驱动。此示例展示了无人机中使用无刷电机和无传感器控制的ESC 模块。 （图片来源：德州仪器）

要悬停，将无人机向上推动的旋翼的净推力必须保持平衡，并且恰好等于将其向下拉的重力。通过增加旋翼的推力（速度），无人机可以直接向上爬升。相反，减小旋翼推力会导致无人机下降。此外，还有偏航（旋转无人机）、俯仰（使无人机向前或向后飞行）和滚转（使无人机向左或向右飞行）。

精确且重复的运动是许多机器人应用的特征之一。固定式多轴工业机器人必须在三个维度上传递不同大小的力，以便移动不同重量的物体。机器人内部的电机在精确的点提供可变的速度和扭矩（旋转力），机器人的控制器使用这些点来协调沿不同轴的运动，以实现精确的速度和定位。

固定式多轴工业机器人必须在三个维度上传递不同大小的力，以便移动不同重量的物体并与装配线上的其他机器人协调其活动。

对于轮式移动机器人，可以采用精密的差动驱动系统来控制运动的速度和方向。两个电机用于提供运动，一个或两个脚轮用于平衡负载。两个电机以不同的速度驱动以实现旋转和方向改变，而两个电机的相同速度则导致直线运动，无论是向前还是向后。尽管电机控制器比传统转向系统更复杂，但这种方法更精确，机械更简单，因此更可靠。

电机选择

基本直流电机和交流感应电机相对便宜且易于驱动。它们应用广泛，从真空吸尘器到工业机械、起重机和电梯。然而，虽然它们价格便宜且易于驱动，但它们无法提供机器人、无人机、医疗设备和精密工业设备等应用所需的精确操作。

简单的有刷直流电机通过使用换向器和电刷与旋转配合来机械地切换电流方向来产生扭矩。有刷直流电机的缺点包括由于电刷磨损而需要维护以及产生电气和机械噪音。脉宽调制（PWM）驱动器可用于控制转速，但由于有刷直流电机固有的机械特性，难以实现精确控制和高效率。

BLDC 消除了有刷直流电机的换向器和电刷，并且根据定子的缠绕方式，它也可以是PMSM。 BLDC 电机中的定子线圈采用梯形缠绕，产生的反电动势(EMF) 具有梯形波形，而PMSM 定子采用正弦缠绕，产生正弦反电动势(Ebemf)（图3）。

图3：永磁同步电机产生正弦Ebeam，而BLDC 产生梯形Ebeamwave~~。 （图片来源：德州仪器）

BLDC 和永磁同步电机中的扭矩是电流和反电动势的函数。 BLDC 电机由方波电流驱动，而PMSM 电机由正弦电流驱动。

直流无刷电机特点：

通过六步方波直流电流更易于控制* 产生显着的扭矩脉动* 比PMSM 成本和性能更低* 可使用霍尔效应传感器或无传感器控制来实现永磁同步电机特点：

使用三相正弦PWM 进行更复杂的控制* 无扭矩脉动* 比BLDC 更高的效率、扭矩和成本* 可提供轴编码器或无传感器控制

什么是病媒控制？

矢量控制是一种变频电机驱动控制方法，其中定子电流三相电机被识别为两个正交分量，可以用矢量可视化。一个分量定义电机的磁通量，另一分量定义扭矩。矢量控制算法的核心是两个数学变换：克拉克变换将三相系统修改为两坐标系，而帕克变换将两相稳态系统矢量变换为旋转系统矢量及其逆矢量。

可以使用克拉克和帕克变换将可控定子电流带入转子域。这样做允许电机控制系统确定应提供给定子的电压，以在动态变化的负载下最大化扭矩。

高性能速度和/或位置控制需要实时精确地了解转子轴位置和速度，以便使相激励脉冲与转子位置同步。该信息通常由安装在电机轴上的绝对编码器和磁性旋转变压器等传感器提供。这些传感器有几个系统缺点：可靠性较低、对噪声敏感、成本和重量增加以及复杂性较高。无传感器矢量控制无需速度/位置传感器。

高性能微处理器和数字信号处理器(DSP) 使现代高效的控制理论能够体现在先进的系统建模中，确保任何实时电机系统的最佳功率和控制效率。预计，由于微处理器和DSP 的计算能力不断增强以及成本不断下降，无传感器控制将几乎普遍取代传感器矢量控制以及简单但性能较低的单变量标量伏特/赫兹(V/f) 控制。

驱动用于工业和消费类机器人的三相永磁同步电机和无刷直流电机

为了解决矢量控制的复杂性，设计人员可以使用现成的评估板。例如，Texas Instruments 的[DRV8301-69M-KIT] 是一款基于DIMM100 controlCARD 的主板评估模块，允许设计人员开发三相PMSM/BLDC 电机驱动解决方案（图4）。它包括具有双通道并联放大器和降压稳压器的[DRV8301] 三相栅极驱动器，以及支持InstaSPIN 的Piccolo [TMS320F28069M] 微控制器(MCU) 板。

图4：设计人员可以使用DRV8301-69M-KIT 电机套件开发三相PMSM/BLDC 电机驱动解决方案，其中包括DRV8301 和支持InstaSPIN 的Piccolo TMS320F28069M MCU 板。 （图片来源：德州仪器）

DRV8301-69M-KIT 是一款基于InstaSPIN-FOC 和InstaSPIN-MOTION 德州仪器(TI) 技术的电机控制评估套件，适用于旋转三相永磁同步电机和BLDC 电机。借助InstaSPIN，DRV8301-69M-KIT 使开发人员能够快速识别、自动调节和控制三相电机，从而提供“即时”稳定且强大的电机控制系统。

DRV8301-69M-KIT 与InstaSPIN 技术相结合，提供高性能、高能效、经济高效的无传感器或编码器传感器FOC 平台，可加快开发速度并缩短上市时间。应用包括用于驱动泵、闸门、电梯和风扇的低于60 伏和40 安培(A) 同步电机，以及工业和消费机器人和自动化。

DRV8301-69M-KIT硬件特性：

带接口的三相逆变器基板，可接受DIMM100 控制卡* DRV8301 三相逆变器集成电源模块（带集成1.5 A 降压转换器）基板，支持高达60 V 和40 A 连续电流* TMDSCNCD28069MISO InstaSPIN-FOC 和InstaSPIN-MOTION卡* 能够与MotorWare TMDXCNCD28054MISO（单独出售）和[TMDSCNCD28027F] + 外部仿真器（单独出售）一起使用

High-performance, high-efficiency PMSM and BLDC motor drives

Infineon Technologies 的[EVAL-IMM101T] 是一款全功能入门套件，其中包括[IMM101T 智能IPM] ]（集成电源模块）提供完全集成的交钥匙高压电机驱动解决方案，设计人员可以将其与高性能、高效率PMSM/BLDC 电机结合使用（图5）。 EVAL-IMM101T 还包括IMM101T 智能IPM“开箱即用”评估所需的其他必要电路，例如整流器和EMI 滤波器级，以及通过USB 连接到PC 的隔离调试器部分。

图5: IMM101T 评估板是一个完整的解决方案，包括运动控制引擎(MCE 2.0)、栅极驱动器和三相逆变器，能够使用无传感器FOC 驱动PMSM 和BLDC 电机。 （图片来源：英飞凌科技）

EVAL-IMM101T 的开发目的是为设计人员在使用IMM101T 智能IPM 开发应用的第一步提供支持。该评估板配备了无传感器FOC 的所有组件组。它包含单相交流连接器、EMI 滤波器、整流器和用于连接电机的三相输出。功率级还包含用于电流检测的源分流器和用于直流链路电压测量的分压器。

英飞凌的IMM101T 采用紧凑的12 x 12 毫米(mm) 表面贴装封装，为PMSM/BLDC 驱动系统提供不同的控制配置选项，最大限度地减少外部元件数量和印刷电路板(PC 板) 面积。该封装经过热增强处理，无论带或不带散热器均能表现良好。该封装在封装下方的高压焊盘之间具有1.3 mm 爬电距离，可简化表面安装并提高系统稳健性。

IMM100 系列集成了500V FredFET 或650V CoolMOS MOSFET。根据封装中使用的功率MOSFET，IMM100 系列适用于额定输出功率为25 瓦(W) 至80 W、最大直流电压为500 V/600 V 的应用。在600 伏版本中，功率MOS技术的额定电压为650伏，而栅极驱动器的额定电压为600伏，这决定了系统允许的最大直流电压。

24 伏电机控制评估系统

24 V PMSM/BLDC 电机驱动器的设计人员可以转向瑞萨电子的[RTK0EM0006S01212BJ] 电机控制评估系统[RX23T] 微控制器（图6）。 RX23T 器件是一款适合单逆变器控制的32 位微控制器，具有内置浮点单元(FPU)，可用于处理复杂的逆变器控制算法。这有助于显着减少软件开发和维护所需的工时。

瑞萨电子24V 电机控制评估系统图片

图6：瑞萨电子针对RX24T 微控制器的23 V 电机控制评估系统包括一个逆变器板，用于驱动评估包中包含的PMSM。 （图片来源：瑞萨电子）

此外，由于内核的原因，软件待机模式（具有RAM 保留）仅消耗0.45 微安(A)。 RX23T 微控制器的工作电压范围为2.7 至5.5 V，在引脚排列和软件层面与[RX62T] 系列高度兼容。该套件包括：

24V 逆变器板* 永磁同步电机控制功能* 三路电流检测功能* 过流保护功能* RX23T 微控制器CPU 卡* USB Mini B 电缆* 永磁同步电机

结论

BLDC 和PMSM 可用于提供紧凑高效的精密运动控制解决方案。将无传感器矢量控制与BLDC 和PMS 电机结合使用具有消除传感器硬件的额外优势，从而降低成本并提高可靠性。然而，在这些应用中，无传感器矢量控制可能是一个复杂且耗时的过程。

如图所示，设计人员可以转向具有无传感器矢量控制软件的开发平台和评估板。此外，这些开发环境包括将所有电机控制器和电源管理硬件集成到一个完整的系统中，从而加快上市时间。