电动二轮车、工控等场景中的高性能电机控制器方案合集

发布时间：2024-05-16 阅读量：439 来源: 我爱方案网作者: bebop

摘要：电机种类繁多，应用纷繁复杂，广泛应用到吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电，以及电动自行车、电动滑板、平衡车等骑行车辆。同时覆盖发电、制造和运输等工业领域，包括泵、机床、压缩机等应用场景。而在车用电机领域，从电动车窗、天窗、后备箱，到水泵、油泵、HVAC，EV主电机，电机都发挥着重要作用。

在家电中，专门为低成本电机控制应用设计的MCU集成了能尽量减少额外器件的功能。在电路板上的电机PWM、故障安全时钟监视器和高可靠的闪存条件下，最新的MCU简化了家电电机控制的设计，能实现低成本目标。

在工业自动化领域，电机性能控制是提升生产效率、降低成本和增加企业收益的关键环节。一个高效运转的电机系统不仅能保证生产过程的顺畅进行，还能通过减少能耗和维护成本，为企业带来可观的经济效益。

以某汽车制造企业为例，通过对其生产线上的电机进行全面的性能优化，不仅提升了装配速度，还显著降低了能耗。具体来说，该企业通过对电机进行精细化管理，实现了每分钟多生产一辆车的成绩，同时每辆车的能耗降低了10%。这样的改进不仅提高了生产效率，也为企业带来了可观的经济效益。

对于抽水机或风扇，功耗与轴的速度立方根成正比，当轴速度降低10%，流量降低10%，功耗降低27%。如果速度降低 20%，功耗降低49%。通过使用MCU可变速电机控制，而不是恒速电机阀来减少流量，已经证明对于工业应用中的离心抽水机、风扇和吹风机来说可以得到 25-40%的能量节省。

针对电机控制应用市场，极海和小华半导体有针对性的规划了系列化的芯片产品和解决方案，覆盖高性能、低功耗电机市场应用：

以下将分享几个典型的极海和小华半导体已量产的案例及其技术实现方式，以作参考。

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1.工业风机控制器方案

工业风机作为工业生产的重要设备，需要全面考虑具体工况条件及用途，对设计、制造和检测要求较高，而作为其控制元件的MCU芯片，则需要具有稳定、高效的性能，符合严苛的工业级可靠性指标、满足复杂工作环境温度要求。

应用场景

冷冻冷藏、矿山开采、冶金行业、设备生产、轨道交通乃至海洋工程等众多领域

方案框图

工作原理

MCU对输入到定子的电流信号进行采样，电流采样电路将获得的信号输出到APM32F030x8芯片，芯片通过电阻采样，检测定子绕组反电动势，估算当前转子位置，实现初始位置检测功能；芯片内部经计算并根据接收到的信号调节，可得所需的电机驱动电流及电压，再通过PWM输出，将信号输入到逆变电桥，实现对电机的精确控制。

方案优势

APM32F030x8工业风机方案主要分为基于芯片的控制核心、温度电路、PWM输出、电流采样、故障保护等电路。芯片丰富的通信外设接口，让该方案可连接屏幕显示、语音输出及启停按键，支持更人性化的人机交互。

方案具有增强型实时控制能力，以及丰富的外设资源，可通过多个接口采集风机各路信号，实现对机器的有效保护，保障设备在各类工作环境中稳定运行。

芯片可支持6路互补输出的16位PWM，提高电机控制的精准度；支持12位精度ADC采样，支持单/三电阻采样方式，可对电流进行精确采样监测，可实现有感、无感的FOC闭环控制。

2.电动两轮车控制方案

系统框图

极海两轮电动车控制器应用方案，支持有感FOC矢量控制策略，集成多路运放、比较器，极大地精简外围电路设计，降低外部干扰，同步实现高效率、低噪声APM32F035作为本方案的主控芯片，负责母线电压、电流、HALL等信号采样，执行电机控制逻辑，并接收上层应用下发的控制指令及回传运行状态反馈等

同步对母线电压以及电机的相电流信号进行ADC采样，输入至MCU内部进行处理，并结合TMR2提供捕获到的霍尔信号结合内部算法计算获取实际运行角度，进而执行内部电机算法逻辑控制，随后通过Timer1输出3对互补的PWM信号至驱动芯片以及功率器件，进而驱动电机运转，使电机更为高效、平稳、低声地运行。

方案特点

● FOC矢量控制，减少能耗，提高续航

● 集成运放和比较器，降低BOM成本

● 支持霍尔学习，绝对零度检测，60°/120°霍尔安装方式，节省开发步骤

● 支持霍尔补偿，提升电机运行效率

● 采用转矩控制，对于负载变化响应迅速，能够额定负载坡起

● 电子刹车和E-ABS，行驶更安全

● 支持显示屏串口和CAN通讯，满足高端应用需求

应用领域

可广泛应用于电动两轮车，冰箱压缩机，风机，水泵，电动工具，园林工具等领域。

3..电动自行车

方案简介：电动自行车电驱控制板方案以HC32M120为主控芯片，同MOS、Gate_Drivers、LDO及其他外围电路构成。主要功能：EBS、能量回馈、HDC、霍尔修复、相序自识别、一线通、三速、GB_25KM、1:1电动助力等。

方案特点：

48MHz主频、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER、温度范围：-40℃~105℃

丰富的基础函数库、SVPWM系统、电机专用控制库模块

FOC控制系统优势（正弦电流、转矩平稳、低噪音）

平地/坡道/溜坡/滑行/带载启动优势（启动转矩大、重载启动高可靠）

客制化控制流程优势（丰富的模块化电机库）

完善的系统保护功能（过流、过压、欠压、堵转、飞车、短路等保护）

4.电动工具方案

方案以HC32M140为主控芯片，基于无传感器六步换相控制算法，实现BLDC电机大扭矩启动和高速运行，保护功能齐全。

应用场景

适用于电钻、角磨机、冲击钻、电动扳手、电锤等低压中小功率电动工具应用场景。

方案特点

48MHz主频、8KB RAM/128KB Flash内存资源、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER

基础功能：反电动势过零检测算法（支持ADC和比较器）、电流/电压采样

复杂工况：静止堵转启动、低速大扭矩运行、顺逆风启动、刹车功能

系统保护：过流保护、过压/欠压保护、长时间堵转保护

支持多种转速设定信号（PWM、ADC等）

应用场景

电钻、角磨机、冲击钻、电动扳手、电锤

5.高速吹风筒方案

方案简介：

高速吹风筒方案采用小华超低功耗HC32M120主控MCU，内置先进的无位置传感器FOC控制策略，实现连续平稳的风机调速系统，具备顺风、逆风、静止状态下无抖动即时启动功能，30cm距离测量运行噪音75db以下，为行业中上水平;启动稳定性好，一次启动成功率可达99.7%以上；运行效率高，220V机种，10.5万RPM最高风速档位运行，PCBA级实测输入功率92W，优于市场主流方案。

方案特点：

快速启动：启动稳定可靠，可在500ms内加速至额定转速

快速停机：采用主动刹车，无过压、过流风险，支持掉电刹车

高速控制：最高电转速可达2000+Hz

工作电压范围大：适用220VAC、110VAC、24VDC供电

丰富的保护功能：过欠压、过流、过功率、堵转、缺相等系统保护

应用场景：

吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电领域。

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