除了電動汽車 (EV) 用于推進的多千瓦交流牽引電機外，還有許多其他輔助電機需要高效、精確、安靜和可靠地驅(qū)動。然而，許多供應(yīng)商習(xí)慣于皮帶驅(qū)動或液壓驅(qū)動系統(tǒng)，還有一些供應(yīng)商正在考慮將這些輔助系統(tǒng)的設(shè)計引入內(nèi)部。

然而，事情并沒有那么簡單：驅(qū)動這些電機需要創(chuàng)新的電機位置傳感和驅(qū)動算法方法，以及對驅(qū)動電路和組件的謹慎選擇（圖 1）。

圖 1：EV 電機需要創(chuàng)新的電機位置傳感和驅(qū)動算法方法，以及驅(qū)動電路和組件的仔細選擇。

輔助電機用于在車輛中運行輔助功能，并且在歷史上已經(jīng)通過來自內(nèi)燃機或液壓系統(tǒng)的能量從皮帶上驅(qū)動。但在現(xiàn)代電動汽車中，交流壓縮機、流體泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機、渦輪增壓器，甚至是農(nóng)用設(shè)備或叉車上的專用工具都需要由電動機驅(qū)動（圖 2）。這些應(yīng)用程序中的大多數(shù)在性質(zhì)上都非常相似。它們通常包括低壓總線（12、24 或 48 V）和中低電流（<5 A 至 50 A）。

圖 2：電動汽車中的主電機往往受到所有關(guān)注，但還有許多其他輔助電機需要高效、精確、安靜和可靠地驅(qū)動。

電機用于在不同負載下控制可變速度或轉(zhuǎn)矩。盡管出于歷史原因，有些人可能仍然使用霍爾效應(yīng)傳感器進行換向，但幾乎所有這些傳感器都用于不需要傳感器的應(yīng)用——如果開發(fā)人員具有適當(dāng)?shù)挠布蛙浖I(yè)知識的話。

MOSFET：關(guān)鍵驅(qū)動組件

MOSFET 是用于為三相逆變器系統(tǒng)中電機的每一相供電的組件。由于 FET 寄生的高閾值電壓和大量電容（通常 >100 pF），必須使用驅(qū)動器 IC（柵極驅(qū)動器）來驅(qū)動 MOSFET 的柵極。用于輔助三相電機系統(tǒng)的現(xiàn)代柵極驅(qū)動器集成了許多對整個系統(tǒng)的可靠性和性能很重要的特性。這些基于保護、可配置性、材料構(gòu)建/電路板尺寸減小和電機控制性能。

由于 MOSFET 是為三相供電的關(guān)鍵組件，因此它們是最需要保護的。當(dāng)今可用的行業(yè)領(lǐng)先的柵極驅(qū)動器應(yīng)通過集成 Vds 和 Vgs 監(jiān)控外部 FET、片上熱測量、用于監(jiān)控電流的集成分流放大器、電源監(jiān)控來為整個系統(tǒng)提供多層保護。和過電壓和擊穿保護。

電機驅(qū)動波形注意事項

三相逆變器的開關(guān)需要由數(shù)字邏輯控制，通常是可編程微控制器 (MCU)，以調(diào)節(jié)電機的扭矩或速度，同時最大限度地提高效率。在電機上使用霍爾效應(yīng)傳感器可以相當(dāng)簡單地使用六步（梯形）換向控制技術(shù)控制無刷直流 (BLDC) 電機，但數(shù)字邏輯資源有限，例如非常小的 MCU 甚至是硬編碼的 ASIC .

這種六步方法在扭矩效率低下存在一些限制：

六步梯形開關(guān)僅在六個方向中的一個方向上產(chǎn)生定子磁場，而如果定子磁場可以在與不斷移動的轉(zhuǎn)子磁場的特定同步方向上產(chǎn)生，則電機效率將最大化。

這六種狀態(tài)之間的切換會導(dǎo)致電機扭矩的波動——瞬間降低，然后進行校正。這會影響速度控制的質(zhì)量并影響可聽噪聲。

動態(tài)性能（調(diào)整扭矩產(chǎn)生以滿足瞬時負載要求的能力）會受到影響。

電機纏繞以產(chǎn)生正弦反電動勢電壓的效率進一步降低；當(dāng)使用正弦波而不是方波驅(qū)動時，大多數(shù)電機運行效率更高。

對于非常簡單的 EV 電機應(yīng)用，BLDC 方法可能就足夠了。但對于其他人來說，這些限制可能會很嚴重。一種對大多數(shù)此類電機效果更好的方法稱為磁場定向控制 (FOC)。在 FOC 中，產(chǎn)生的定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場定向并同步，從而最大限度地產(chǎn)生扭矩。定子狀態(tài)之間的過渡是平滑的，消除了轉(zhuǎn)矩脈動，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。電機相位看到的電壓是正弦曲線，從而提高了效率。FOC 并不比六步 BLDC 復(fù)雜得多。它測量至少兩個相電流而不是一個總線電流，它進行額外的數(shù)學(xué)計算，采用額外的比例積分 (PI) 控制器，并為脈寬調(diào)制 (PWM) 生成進行了更多計算。

但是，存在轉(zhuǎn)子傳感器的問題。六步 BLDC 中使用的霍爾傳感器無法為 FOC 提供足夠的轉(zhuǎn)子磁場定位精度。此外，霍爾傳感器由于其低可靠性和高系統(tǒng)故障率而具有更多的前期和生命周期成本。此外，由于機械限制，某些應(yīng)用根本無法使用霍爾傳感器。

一種解決方案可能是使用不同類型的轉(zhuǎn)子磁傳感器。用于高精度伺服驅(qū)動器的數(shù)字編碼器和用于 EV 推進電機的模擬旋轉(zhuǎn)變壓器都具有 FOC 所需的分辨率。然而，與簡單的霍爾傳感器相比，它們既昂貴又不實用?；蛘撸捎跈C械限制，它們無法安裝。唯一的解決方案是無傳感器 FOC。

無傳感器 FOC 實用化

無傳感器 FOC 依靠軟件算法根據(jù)逆變器中的電流和/或電壓來估計轉(zhuǎn)子磁場位置。無傳感器轉(zhuǎn)子位置估計器的理論化、開發(fā)和使用已超過 25 年，但其實際實施僅限于那些在開發(fā)所需專業(yè)知識方面進行大量投資的公司。這些公司在交流驅(qū)動器、工業(yè)電機控制、一些先進的電器和汽車領(lǐng)域擁有強大的背景。這種專業(yè)知識一直是先決條件，因為算法和控制器調(diào)整很難在真實世界條件下的真實環(huán)境中工作。

InstaSPIN-FOC 是一種在 EV 及其他領(lǐng)域擴大無傳感器 FOC 采用的獨特方法。這采用了一種創(chuàng)新的自調(diào)整算法，可立即為任何三相電機提供強大的無傳感器 FOC。

這種電機控制技術(shù)使 EV 設(shè)計人員——即使是那些電機控制經(jīng)驗有限的設(shè)計人員——能夠在他們的 EV 應(yīng)用中識別、調(diào)整和完全控制任何類型的三相、變速、無傳感器、同步或異步電機控制系統(tǒng)。分鐘。

結(jié)論

EV 的主推進電機與各種輔助電機相輔相成，這些輔助電機需要高效、低成本、小尺寸的驅(qū)動方案，并注重可靠性、噪音和精度。這推動了高級算法的發(fā)展，以克服經(jīng)典 BLDC 電機的一些限制。因此，無傳感器 FOC 正在成為滿足 EV 電機驅(qū)動要求的解決方案，但它需要很容易被仍然從皮帶或液壓驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)移的供應(yīng)商所適應(yīng)。

審核編輯：湯梓紅