电机控制 - 永久磁性同步电机方案 - 德州仪器搭台，寻宝电机控制方案运动大家一起來！

　　四、电机控制 - 永久磁性同步电机 （PMSM）

　　永久磁性同步电机 （PMSM） 可以看做 AC 感应电机和无刷直流电机 （BLDC） 的交叉产品。它们具有与 BLDC 电机相似的转子结构，其中包含永久磁性。但是，它们的定子结构类似于 ACIM“表亲”的定子结构，其中绕线的构建方式可在机器气隙中形成正弦磁通密度。因此，使用正弦波形驱动时运行最佳。但不同于 ACIM “亲缘产品”，PMSM 电机在使用开环标量 V/Hz 控制时运行较差，因为瞬态条件下没有提供机械阻尼的转子线圈。场定向控制是 PMSM 最常使用的控制技术。因此，扭矩纹波可以极低，这与 ACIM 不分伯仲。但是，较之 ACIM，同等大小的 PMSM 电机可提供更高的功率密度。这是因为对于感应电机，部分定子电流需要“感应”转子电流来产生转子磁通。这些附加电流会在电机内部产生热量。但在 PMSM 中，转子磁通已通过转子上的永久磁性建立。

　　多数 PMSM 利用转子表面安装的永久磁性。这使得电机呈现“圆”磁场，而电机扭矩是转子磁性和定子电磁之间反作用力的结果。这样，将典型 FOC 应用的直轴电流调节为 0，可使最佳扭矩角为 90 度。但部分 PMSM 的磁性埋在转子结构内。这些电机被称为“内藏式永久磁性电机”或 IPM 电机。因此，特定空间角度的径向磁通较其它角度更集中。这便产生了名为“磁阻扭矩”的附加扭矩分量，它是由集中和非集中磁通路径的电机电感变化引起的。这使得最佳 FOC 扭矩角大于 90 度，需要将直轴电流调节为交轴电流固定的负比率。该负直轴电流也会导致磁场变弱，从而降低直轴的磁通密度，反过来减少部分磁芯损耗。因此，IPM 电机对于给定帧大小可提供更高的电源输出。这些电机逐渐成为混合电动汽车、电器和 HVAC 变速应用的牵引电机。

　　IPM 电机展现出的凸极还为无传感器控制应用提供了额外优势。在许多情况下，凸极信号的强度足以用来确定静止和低速运行状态下的转子位置。有些无传感器 FOC 设计在低速时使用凸极映射，然后转换为电机加速时的反电动势查看器模型。

　　方框图

　　永久磁性同步电机 （PMSM） 系统的方框图 （SBD），它具有微处理器、闸极驱动器、隔离器件、工业接口和电源管理。

　　

　　

　　永久磁性同步

　　设计注意事项

　　永久磁性同步电机 （PMSM） 概述

　　永久磁性同步电机 （PMSM） 与 AC 感应电机或无刷直流电机 （BLDC） 非常相似。它们都具有永久磁性转子和绕线定子。

　　PMSM 电机通常使用正弦波形控制，而 BLDC 电机通常使用梯形信号控制，梯形信号也称为六步换向。

　　PMSM 的正弦控制效率很高，电机操作顺畅，可最大程度地减少震动并降低噪声。对 PMSM 电机使用场定向控制 （FOC） 技术还可最大程度地减少系统生成的扭矩纹波和电磁干扰。PMSM 电机就大小与 AC 感应电机 （ACIM） 相比时，可提供更高的功率密度。

　　微处理器

　　TI 的 C2000™ 系列 MCU 可以通过使用标量或矢量控制技术控制 PMSM 电机。了解转子位置对于高效控制 PMSM 电机非常重要。通过连接至电机的霍尔传感器或旋转式编码器能够检测到转子的位置。这些传感器输入用于含传感器的反馈控制系统。

　　转子位置还可通过使用反电动势电压信息进行估算。此反馈控制模式无需使用传感器和附加接线。位置或速度评估器也可用于计算转子位置。

　　C2000 MCU 上的集成高速 12 位 ADC 转换器、高分辨率脉宽调制器 （PWM） 和正交编码器输入 （QEI） 使其适合于实施 PMSM 电机控制。C2000 MCU 内核能够在短时间内执行复杂的数学函数，使此 MCU 系列成为实施矢量控制技术和同时控制多个电机的理想选择。此系列的 PWM 具有可编程死区延迟，可驱动高侧和低侧闸极驱动器。

　　Stellaris® 系列 MCU 向偏爱开放式构架内核的客户提供基于 ARM 的解决方案。这些 MCU 还为传感器的控制提供集成 ADC、特定于电机控制的 PWM 和 QEI 输入。其基于硬件的故障检测系统可更快地关闭系统，无需软件干预。这些 MCU 也可用于实施标量和矢量控制技术。

　　隔离

　　TI 数字隔离器具有逻辑输入和输出缓冲器，这些缓冲器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔离势垒进行隔离，可提供 4kV 隔离。当与隔离电源配合使用时，这些器件可阻止高电压、隔离接地以及防止噪声电流进入本地接地并干扰或损害敏感电路。

　　接口/连接

　　传统模拟 RS-232/RS-485 接口一直是电机控制应用的常见选择。展望未来，设计人员将在其产品中集成主流接口，如以太网、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同时为传统和新兴工业接口提供解决方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔离式 CAN 收发器 ISO1050。

　　电源管理

　　德州仪器 （TI） 提供从标准 IC 到高性能插件、变压器、数字电源 MOSFET 和集成电源模块的电源管理 IC 解决方案。从 AC/DC 和 DC/DC 电源、线性稳压器和非隔离式开关 DC/DC 稳压器到 PMIC 和电源及显示解决方案，德州仪器 （TI） 的电源管理 IC 解决方案都能帮助您完成项目开发。