童年的四驅(qū)車幾乎是我們第一次近距離接觸馬達。想必有動手能力強一些的小伙伴還拆過，改裝過馬達吧。其實它就是一種結(jié)構(gòu)標準的直流有刷電機（BDC）。

直流有機電刷的驅(qū)動方式

有刷電機的驅(qū)動是使用H橋來實現(xiàn)電機的無級調(diào)速的。

H橋原理圖

如上圖所示，4顆MOS管與馬達共同組成一個形似H的結(jié)構(gòu)。通過控制4顆MOS管的通斷對電機進行驅(qū)動。

• 當A和D閉合，B和C斷開時，直流電機正向旋轉(zhuǎn)。
• 當B和C閉合，A和D斷開時，直流電機反向旋轉(zhuǎn)。
• 當A和C閉合，B和D斷開，或者當B和D閉合，A和C斷開時，直流電機不旋轉(zhuǎn)。且因為短路產(chǎn)生反向電動勢，所以抑制了電機的慣性旋轉(zhuǎn)。
• 當A和B閉合或者C和D閉合，直接形成電源短路，會燒毀電源。
• 當A，B，C，D均處于斷開狀態(tài)，沒有反向電勢阻礙電機慣性運動。電機處于慣性運動狀態(tài)。

H橋電流路徑

BDC電機驅(qū)動芯片功能框圖

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

在IPROPI引腳上的采用內(nèi)部電流鏡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電流的感應和調(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IPROPI電流傳感輸出給MCU可以檢測電機失速或負載條件變化。

從四驅(qū)車到火星車

眾所周知火星地表環(huán)境惡劣，地形復雜，對火星車驅(qū)動的靈活性要求極高。相對美國好奇號火星車的六只車輪中只能控制其中前后兩對車輪獨立轉(zhuǎn)向，中國的祝融號火星車每只車輪都可以進行獨立驅(qū)動和獨立轉(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，其中直流無刷電機功不可沒。

直流無刷電機（BLDC）

無刷電機取消了電刷，采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。通過霍爾傳感器感知永磁體的位置適時切換線圈中電流的方向，確保產(chǎn)生正確方向的磁力驅(qū)動電機。因為沒有電刷這個物理結(jié)構(gòu)，無刷馬達的壽命較有刷馬達有了大幅提升。同樣因為是電子換向，方便通過無刷電機控制器控制驅(qū)動器，可以實現(xiàn)調(diào)整電源切換角，制動電機，電機反轉(zhuǎn)，鎖止等功能，也使得無刷馬達的控制精度較有刷馬達大幅提升。所以，要求電池供電，大功率，大扭矩，小體積，長壽命，高精度的直流無刷電機就成為火星車驅(qū)動輪最合適的選擇。

直流無刷電機的驅(qū)動方式

直流無刷電機（BLDC）的驅(qū)動電路主要是使用三相逆變電路實現(xiàn)的。而三相逆變電路的實現(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)動電機運轉(zhuǎn)。

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

直流無刷電機的控制方式

相較簡單的有刷電機的控制方式，無刷電機的控制方式就較為復雜了。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)，進行6次換向。每個換向位置電機輸出特定方向的力，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，電機的相電流波形接近方波，所以稱為方波控制。優(yōu)點是控制算法簡單、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轉(zhuǎn)速；缺點是轉(zhuǎn)矩波動大、存在一定的電流噪聲、效率達不到最大值。方波控制適用于對電機轉(zhuǎn)動性能要求不高的場合。

**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)矩波動較小，電流諧波少，控制起來比較精細，但是對控制器的性能要求稍高于方波控制，與方波控制，電機效率同樣也不能發(fā)揮到最大值。

3. FOC控制

FOC（Field-Oriented Control）即磁場定向控制。正弦波控制實現(xiàn)了電壓矢量的控制，間接實現(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版本，實現(xiàn)了電流矢量的控制，也即實現(xiàn)了電機定子磁場的矢量控制。這是目前無刷電機（BLDC）和永磁電機（PMSM）最高效的控制方法。

FOC對磁場的大小與方向的控制都更精確，從而使得電機運轉(zhuǎn)的噪聲更低，運轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，動態(tài)響應更好。

TRINAMIC運動控制方案

說到FOC控制，就不得不提業(yè)界代表FOC控制天花板的TRINAMIC。
TRINAMIC的設計理念是盡可能將針對電機的運動控制硬件化，有效縮短開發(fā)周期，減少產(chǎn)品設計BOM（物料清單），縮短產(chǎn)品投放時間。

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

FOC****算法框圖

電機三相電流ia, ib, ic電流產(chǎn)生定子磁場，和電機轉(zhuǎn)子永磁體磁場相互作用讓電機轉(zhuǎn)動。為了讓電機運轉(zhuǎn)在最高效的模式，需要讓定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場始終保持在一定角度，同時根據(jù)負載大小控制定子磁場大小。FOC控制重點就是控制電機定子的三相電流ia, ib, ic的大小和相位。

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

以下對上圖中變頻控制做簡單講解，F(xiàn)OC控制整個流程包括：

1. ia, ib, ic電流解耦：對采樣的ia, ib, ic電流依次做Clarke變換和Park變換得到實時直流量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)：因為電流解耦后有 id 和iq 兩個實時直流量，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時反饋輸入。
   ◆ d軸PI控制：參考輸入一般是0，實時反饋輸入就是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*，實時反饋入就是iq，輸出是d軸電壓Vq
3. 速度環(huán)：類似于電流環(huán)，需要參考目標速度We* 和實時轉(zhuǎn)速We, We 目標轉(zhuǎn)速是FOC控制以外給定的， 實時轉(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的運動控制解決方案目前廣泛應用于3D打印，家庭自動化，工業(yè)自動化，機器人和AVG小車，Lab automation，醫(yī)療健康設備，電動工具以及消費類產(chǎn)品等領(lǐng)域。

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