碳脚印、绿色动力和气候变化屡现新闻头条，引人瞩目。为确保咱们的子孙有一个洁净的生活环境，咱们有必要当即行动起来。为此，发达国家的政府以税费的办法来下降碳排放和动力运用。由于超越对折的电力用于驱动电动机，因而规划人员不是应该而是有必要选用愈加高效的电机操控与规划。
电动机的效果便是把电能转化成为机械能，而功率则是指发生的机械能与所用的电能之比。电机的振荡、发热、噪声和谐波归于各种形式的损耗，要完结高功率，就应削减这些能耗。那么有哪些规划技巧可供规划人员运用，以协助他们完结高功率呢？
本文将介绍归纳运用磁场定向操控(FOC)算法和脉冲频率调制(PFM)紧密地操控电机，完结高精度与高功率。
FOC
标量操控(或许常称的电压/频率操控)是一种简略的操控办法，经过改动供电电源(电压)和供给给定子的频率来改动电机的扭矩和转速。这种办法适当简略，乃至用8/16位微处理器也能完结规划。不过，简洁的规划也伴跟着最大的缺点——缺少稳健牢靠的操控。假如负载在高转速下坚持稳定，这种操控办法却是满足。但一旦负载发生变化，体系就不能快速呼应，然后导致能量丢失。
比较而言，FOC能够供给严厉的电机操控。这种办法旨在让定子电流和磁场坚持正交状况(即成90度角)，以完结最大扭矩。由于体系取得的磁场相关信息是稳定的(不论是从编码器取得，仍是在无传感器作业状况下的预算)，它能够精确地操控定子电流，以完结最大机械扭矩。
一般来说FOC比较杂乱，需求32位处理器和硬件加速功用。原因在于这种办法需求几个核算密集型模块，比方克拉克改换、帕克改换等，用于完结三维或二维坐标系间的彼此转化，以抽取电流相对磁通的联系信息。
如图1所示，操控电机所需考虑的输入包含方针扭矩指令、供电电流和转子角。依据这些参数完结转化和核算，核算出电力电子的新驱动值。完结一个周期的FOC所需的时刻被称为环路时刻。果然如此，环路时刻越短，体系的呼应速度就越快。呼应速度快的体系意味着电机能够敏捷针对负载做出调整，在更短的时刻周期内完结差错补偿，然后完结愈加顺利的电机运转和更高的功率。
图1：磁场定向操控能够紧密地操控电机扭矩，前进功率。环路时刻越短，体系呼应速度越快。
一般选用嵌入式处理器完结FOC算法，环路时刻介于50us到100us之间，详细取决于模型和可用的硬件。此外，还可选用软件来完结FOC，但无法确保其确定性。因而很多规划凭借FPGA硬件加速，来发挥这种技能确实定性和高速处理优势。运用最先进的28nm FPGA技能，典型FOC电流环路时刻为1.6us1，相对选用软件办法显着缩短。
由于加强电机操控不仅可下降噪声，并且还能提高功率和精度，因而现在大部分电流环路都选用硬件来完结，并且倾向于把速度环路和方位环路也迁移到硬件完结计划中。这种做法是或许的，由于跟着数字电子电路技能的前进，单个器材具有满足强壮的运算才能。用FPGA完结的速度操控环路时刻和方位操控环路时刻分别为3.6us1和18us1。与传统软件办法比较这是明显的功能提高，由于传统的方位环路时刻一般在毫秒级。
调制
调制也是前进能效的要害模块。依据负载、功能要求和运用需求能够运用不同的调制计划，并且这些调制计划对电机操控体系的运转影响严重。调制原理图(图2)剖析了咱们预备在本文中谈论的几种调制计划。
最基本的调制计划选用六步进调制法，这代表三相功率桥的6种或许组合(不含111和000空状况，该状况下一切开关均关断)。这种开关办法表明为六边形的6个蓝色极点。六步进调制法对电机施加最大功率，即逆变器的输出电压与Vdc持平。
尽管输出功率大，规划完结计划简洁，但假如电机要求高精度和高稳健性，则不宜选用六步进调制法。这是由于电机运转在非线性状况下，需求从一种状况(极点)“跳动”到另一种状况，不能平稳运转。
要让电机更平稳运转，能够运用正弦调制法。正弦调制法能够让电机平稳运转吗，尽管与六步进调制法比较这种办法略显杂乱，并且在功率上也没有优势，由于逆变器的输出仅为Vdc的一半，基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在调制原理图上，这表明为红圈的内圈。
图2：调制原理图
为补偿正弦调制形成的损耗，空间矢量PWM(SVPWM)调制法运营而生。SVPWM能够供给1/√3 Vdc=0.5773 Vdc的电压。与正弦调制相似，SVPWM也能让电机平稳运转。在调制原理图上，这表明为红圈的外圈。图3是正弦调制法和SVPWM调制法的波形比照。
图3：正弦调制法和SVPWM调制法的波形比照
正弦调制法和空间矢量调制法均运用脉冲宽度调制(PWM)技能，一种最为常见的工业调制技能。可是脉冲宽度调制运用固定的调制频率，经过改动脉冲宽度来调理对供电电压的操控，故谐波的出现是个问题。谐波是EMI、电机振荡的原因，也是一种能量损耗。
