开发工具需要支持不同的控制方法，适应不同的传感器和电源配置，并提供对现实世界性能的洞察。
作者：Nexperia公司Stein Nesbakk和Aanas Sayed
电机驱动产品在各个行业和消费市场中发挥着越来越重要的作用。从电动滑板车和叉车到机器人、电动工具和智能家电，电动机已成为当今工程系统的基础部件。这些产品的发展增加了对精确、高效和响应迅速的电机控制的需求。工程师现在必须应对复杂的设计要求、更严格的开发时间表和更高的性能期望。
为了应对这些挑战，仅仅选择正确的组件已经不够了。工程师还需要开发工具，以便进行早期、准确的评估和快速原型制作。这些工具必须支持不同的控制方法，适应不同的传感器和电源配置，并对现实世界的性能提供有意义的见解。随着电机控制系统变得越来越先进，对灵活评估环境的需求也在增长。

满足现实世界应用的需求
电机驱动系统的性能要求因应用而异，但大多数都有一些共同的要求：平稳运行、高能效、低噪音以及在不同负载和环境条件下的可靠性能。
在电动滑板车和电动自行车等电动出行应用中，系统必须在广泛的操作范围内提供精确的速度控制、快速加速和安静的用户体验。在工业应用中，风扇和泵必须保持连续和一致的性能，通常在紧凑和热约束的外壳内。无绳工具需要高效的扭矩传递、紧凑的设计和快速的响应时间。家用电器增加了额外的复杂性，通常在低噪声阈值下运行，需要与家用电源限制兼容。机器人应用优先考虑位置和速度控制的准确性，以及对可变负载条件和环境的适应性。
无论产品是什么，这些系统都对电机控制所涉及的硬件和软件提出了很高的要求。工程师必须在流程的早期验证设计决策，以确保系统在部署后保持稳定并按预期运行。这需要能够复制现实条件并支持各种测试用例的评估平台。

现代评估平台的关键要求
现代电机控制开发工具需要超越简单的演示板。为了支持快节奏的开发，设置必须直观高效。在许多情况下，根据硬件和软件集成的复杂性，启动和运行电机可能需要几天甚至几周的时间。一个允许工程师在短短几个小时内配置电路板和旋转电机的平台可以显著加快开发周期。减少这种早期摩擦可以实现更快的迭代、更早的验证，并实现从概念到工作原型的更平滑的路径。
该平台还应兼容多种通信协议，如UART、SPI、I2C和CAN，允许与各种微控制器和开发环境集成。支持不同的控制方法，包括梯形、正弦和磁场定向控制（FOC），使团队能够测试不同操作模式下的性能，并匹配噪声、平滑度或扭矩响应等系统级目标。
集成电流传感和内置保护机制对于安全操作和实时反馈至关重要。这些功能使工程师能够评估负载下的功率级行为并快速诊断故障。诊断LED、在线相电流传感和VBUS电流监测都有助于早期故障检测和设计假设的验证。
开源固件和对设计文件的访问使定制平台或使其适应更高级的用例变得更加容易。开发人员可以尝试新的算法，调整硬件设置，或模拟限制较少的特定使用条件。当与LTSpice等仿真工具配合使用时，该平台成为建模和物理验证之间的桥梁。
模块化结构提供了一个关键优势。将逆变器级与控制逻辑分离简化了升级、组件交换和定制。这种分离确保了一个平台可以跨不同的项目进行调整，而无需进行大量的返工。

样品平台：NEVB-MRT1-KIT1评估套件
支持这种灵活方法的开发平台的一个例子是Nexperia和Würth Elektronik推出的NEVB-MRT1-KIT1。它专为中低压电机系统而设计，支持在12至48 V之间运行的各种应用，可处理高达1千瓦的输出功率。该平台采用模块化双板结构，带有专用三相逆变器和微控制器板（图1）。它支持有刷直流、无刷直流（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）。


图1：NEVB-MRT1-KIT1模块化双板结构
 
该评估套件旨在支持传感和无传感器控制方案，为工程师在开发过程中提供灵活性。固件用于使用霍尔效应传感器、增量编码器和绝对编码器进行传感控制。对于无传感器评估，硬件包括板载反电动势（反EMF）检测电路，通过消除对外部滤波器或微控制器比较器的需求简化了过程。
这种设计选择降低了设置的复杂性，并使使用自定义固件探索无传感器控制策略变得更加容易。该套件与Arduino Leonardo R3和Nucleo外形尺寸微控制器集成，并通过标准通信接口轻松连接到外部系统。
功率级包括高效的LFPAK56 MOSFET和集成栅极驱动器。内置高压侧和在线电流传感为扭矩和速度控制提供实时反馈。过电流和欠电压锁定等保护功能可降低评估期间的开发风险。板载DC-DC转换器提供逻辑和控制电源，使整个系统能够从单个输入源运行（图2）。


图2：NEVB-MRT1-KIT1电机驱动器评估套件的组件概述
 
除了硬件，该套件还包括LTSpice仿真模型、完整原理图、物料清单和布局文件。开源固件是在MIT风格的许可证下提供的，可以针对特定用例或新的开发需求进行完全定制和调整。
这种类型的平台对于开发电动汽车、机器人、消费电器或工业系统产品的工程师特别有用。它提供了快速部署、技术灵活性和深入系统洞察力的平衡，帮助团队从概念快速过渡到经过验证的设计。

聚焦现场导向控制
在各种支持的控制策略中，磁场定向控制（FOC）在现代电机驱动应用中变得越来越重要。FOC使电机运行更平稳、更精确、更高效，特别是在变速或动态负载条件下。它在机器人、电动汽车和工业自动化等高性能应用中特别有用。
FOC的工作原理是将三相定子电流转换为旋转参考系。这种数学变换将电流的扭矩产生和磁通产生分量分开，使每个分量都可以独立控制。因此，该电机在扭矩线性和动态响应方面更像有刷直流电机，同时保持了无刷架构的优点。
FOC的优点包括减少转矩脉动、降低噪音、提高能效和增强低速时的可控性。这些优点使其成为PMSM的首选，PMSM广泛应用于性能和可靠性至关重要的应用中。
实施现场导向控制（FOC）带来了有意义的挑战。它需要精确的电流测量、精确的转子位置传感或估计，以及必须针对每种应用进行仔细调整的实时控制算法。由于增加了复杂性，这些要求通常会阻止团队在早期开发阶段使用FOC。
评估套件包括支持FOC的必要硬件，包括集成电流传感和用于传感或无传感器位置反馈的接口。这为想要实现和试验自己的FOC算法的开发人员提供了坚实的硬件基础。通过消除对定制电路或电路板修改的需要，该平台允许团队专注于开发控制软件和调整系统行为，而不是管理低级信号采集。
当与外部固件和仿真工具配合使用时，这种类型的平台有助于使FOC更容易用于一系列应用，从高效消费电器到动态机器人和电动移动系统。它对FOC等先进控制方案的准备使其成为旨在更深入地优化电机性能的开发人员的宝贵资源。

使工具与开发目标相一致
随着系统继续更加依赖电动机技术，灵活和现实的评估环境的重要性日益增加。工程师需要工具来帮助他们在现实条件下验证设计，比较不同的控制方法，并在过程的早期做出明智的决定。
提供模块化、开放式设计访问和广泛控制兼容性的平台帮助团队应对不断变化的需求。通过实现快速原型制作、可靠测试和简化定制，这些工具减少了开发摩擦，增加了项目势头。
没有评估板可以解决所有挑战，但设计良好的平台支持各种电机、控制策略和实时反馈，使开发更接近无缝软硬件集成的目标。无论是优化性能、降低噪音、提高效率还是扩展产品功能，这些工具都能帮助工程师自信地从概念到生产。
随着电机技术的进步和应用的多样化，配备适应性强的评估系统的工程师将有能力引领下一波产品创新。
 
www.nexperia.com