【技术干货】高性能微控制器提升电机驱动的效率

在探讨能源使用话题时，一个经常被提及的数字便是全球一半以上的电能被用于驱动电机。工业部门是造成这一现象的主要原因，但许多消费应用（如空调或家用电器）的影响也不容忽略，近年来更是受到电动汽车（EV）的快速发展带来更重大的影响。尽可能提高电机驱动的效率，对于降低整体能源消耗和最大限度延长电池供电型系统的使用时间至关重要。

想要提高电机驱动的效率，有必要从系统级别角度出发进行效率分析，以确定造成损耗的各种因素，其中可能是运动、液体／气体流动、或者是热源所造成的损耗。

想要提升电子设备的运作效率，首先必须重点查找造成设备运作效率降低的主要原因。例如，提高冰箱的隔热性能将可以在省电性能上取得明显成效。此外，如果设备存在传动系统（齿轮或皮带）也需要更加重视，因为传动系统可能会使整体驱动效率最高降低20%，如果能够采用直接驱动，就应该加以考虑。只有详细的分析才能得到想要的结果，对于某些复杂系统（如电动汽车），效率还会受到驾驶习惯和环境条件的影响。

接下来要考虑的重点便是电机驱动优化，首先是选择电机的类型。迄今为止，如果以效率为标准，无刷电机将是首选，无论是三相交流感应（高效率型）、开关磁阻，还是更出色的永磁同步电机（PMSM），都是优异的电机选择。在家用电器领域，它们越来越多地取代了传统的直流有刷通用电机，有刷电机的缺点是它们的电刷会造成额外的磨擦损耗，容易导致磨损和产生啸叫噪声。

在电机中，机械转矩是由内部磁场和外部磁场之间的相互作用产生的。永磁同步电机和异步电机的效率差异主要源于它们的结构和工作原理不同，永磁同步电机利用永久磁体提供的磁场，从而实现较高的效率，而异步电机需要消耗能量来产生磁场。这是造成效率差异的主要原因，在低负载运行时，效率最多可提高15%。对于高额定功率，效率差异更低，但永磁式（PM）电机的效率总是比交流感应电机（ACIM）高几个百分点，可达到95%或更高。

永磁同步电机也因为更高的功率密度和启动时的高扭矩而受到市场青睐。它们在价格方面更有竞争力，部分原因是它们对铜的价格波动较不敏感，与交流感应电机相比，它们需要的铜材更少，即使这种需求需要与其磁体对稀土元素的需求相平衡，交流感应电机仍然是超高功率（超过100 kW）电机领域的主流。

在选择电机时，由于同步磁阻电机在某些负载下效率更高，并且转子中不使用稀土永磁体，一些制造商建议用其取代感应电机。最近有学术论文提出了永磁辅助式同步磁阻电机设计，该设计结合了磁阻转矩和磁体相互作用转矩以实现更高效率，并进一步限制了使用铁氧体磁铁带来的成本，这些类型的电机可能很快即可用于工业或消费应用。

从电子控制器的角度来看，有刷直流电机的操作很简单，采用一个低成本通用MCU和一只功率晶体管调制电流，如果你需要使旋转方向反转，最多可以使用四个。同样，通用电机控制只需要一个可控硅组件或调速驱动器（ASD）开关来切断50/60Hz市电电压。该电机确实是家用电器中常见的有刷直流电机，可以使用直流母线或交流电源供电，磁通极性的改变不会改变旋转方向，因为它在定子和绕线型转子都是反向的。

电能质量的提高可以通过进行功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）来实现，而电机的高效控制可以通过使用无传感器磁场定向控制（Field Oriented Control，FOC）技术来实现。

PFC是一种可以改善交流电源端功率因数的电路，是开关模式电源中常见的电路之一。常见的PFC需求主要包括支持2个通道的连续模式（CCM）交错式PFC，采用交错式180°相移，以及电压环、电流环、负载平衡的数字化控制，还有过压保护（OVP）／欠压保护（UVP）／过流保护（OCP）输入、OVP/UVP和过温保护（OTP）输出的保护功能，以及带数字浪涌电流限制器的软启动功能。

数字式PFC则具有更高的灵活性，具有软件可编程数字式PFC的优点，可在维持相同硬件的情况下区分控制性能，支持算法升级与无痛客制化，并可随时新增／删除功能，其解决方案的成本会随着器件数量的减少而降低，并可节省PCB和验证时间。

ST推出基于STM32G491的全平台控制，来支持双电机FOC与结合高频交错式数字功率因数校正（dPFC）功能，可支持SLLIMM® IPM（智能功率模块）的逆变电源，压缩机IPM具有𝜂>97%的表现。采用ST专有的沟槽栅极场截止IGBT技术，PFC在40kHz时，具有𝜂>96%、iTHD<2%、PF>0.99的特性，以及VIPER31辅助电源部分，可支持4kW的最大输入功率，具有高整合度，可应用于商用空调、数据中心、储能、热泵等领域。

STM32可支持在同一个MCU上执行数字式PFC和双电机控制，PFC可仅在需要时开启，并可以让压缩机在更高的速度进入弱磁区，以取得更高的电机效率，母线电压可以根据交流输入和电机速度进行调整，以获得更好的母线电压调节，并拥有更快的电机动态响应等性能增进。