无传感器、无电刷的电动机控制设计实现

　　对於无电刷直流电动机，软件方面包括∶

　　—设有闭环速度与电流限制的电动机控制

　　—电动机从任何位置启动，采用一个对准过程从而知道初始的转子位置，需要正确的馈电次序。

　　—反电动势检测、与PWM同步，减小由於PWM信号在现用相上通电时因为互感和电容所造成的干扰。

　　—在运行过程中计算及更新换向时间，使到万一找不住零交点时可以作出修正动作。

　　—起动过程要顾及低速、预定的换向时序；这是需要的，因为在低转速时，比如当启动电动机时，反电动势的幅度太小以致难以检测。

　　对於永磁同步电动机，软件包括∶

　　—电动机控是依据场定位控制（FOC），这是用来维持定子与转子磁通於正交位置，以增大转矩效率。

　　—有称为滑动模式观测器（SMO）的反电动势估计器，其输出用来计算转子位置和速度等资料。

　　—速度与电流闭合环路，分别有更佳的速度与转矩性能。

　　聪明功率模块

　　除了实现位置估计算法外，设计电动机控制器的功率级是对工程师寻找一个快速和划算的方案又是另一个重大挑战，尤其功耗和与大电流高电压工作相关的干扰影响。即使是一位富经验的设计师也要付出相当的思量和劳力，例如要将布局优化处理，才可减少功率开关的连带效果。其中一个更专门的部份是为功率开关设计的驱动管，这会用MOSFET或IGBT制造，视乎所需的电压额定值来决定。

　　要解决种种挑战，有些制造商供应完备的模块，内里将所需的功率开关与驱动器和界面电路整合，只需电动机控制输入信号，还有电源直接驱动电动机便可以了。设计范围已缩小至一个简单过程 ─ 找一个大小符合於功率额定值的散热器。布线上经已在模块内里优化，减少连线长度，减少功率损失、以及电容/电感的副作用，除此以外，电源结构相对於分立式方案更为简化，导致到整个设计更加紧密。

图4. International Rectifier的智能电源模块结合了数字电路和大功率驱动器

　　譬如Fairchild推出的聪明功率模块FCBS系列，就包括有集驱动、保护、系统控制等功能一身的500V MOSFET逆变器。如图3所示，HVIC技术使到单电源MOSFET门驱动能力上不需用光电耦合器，这有助於缩减全部两成的板面。元件安装在低热阻陶瓷衬底上。有效地排除热力至模块的表面，此处可连接散热器。综合保护方面包括欠压封锁和短路保护，而分开的负DC线端提供单脚电流*。

　　International Rectifier（IR）以其智能功率模块（IPM）解决了合乎经济效益的无电刷电动机设计，特色是高度集成化，将IR专利的三相门驱动器和高效率的沟道IGBT技术集合於单列直插式组件上，如图4所示，一个IPM便替代超过20个分立元件，IR采用绝缘金属衬底技术，提高热效能，减少EMI干扰，这样为节能用具和由变速电动机驱动的轻工业设备造就了一个完备的功率级方案。可获得的模块都是为功率额定值由400W至2500W作出最优化。

　　就以IRAMS06为例，它额定於6A输出，不单结合IGBT和门驱动器，还有温度*，过流关闭、欠压封锁和防止交叉导电逻辑，其他特色譬如作为高端驱动的阴极负载二极管和单极电源等，简化了整个系统设计，不需额外的隔离，因为元件本身获得高达每分钟2000Vrms，IR也发表网上设计工具，有助於设计师使用IPM系列和电动机控制IC的IRMCK系列设计其方案