通信作者：成紅玉 
校閱：譚磊 姚若亞 徐彪

摘要 

電機、發電機、電磁鐵歷史悠久種類繁多，本文將換個角度整理和闡述電機以及電磁拖動的相 關概念。首先，文章對電機和電磁拖動裝置進行了分類，并分析了電調部分的功能層級，為讀者提供了清晰的認識框架。隨后，文章探討了電磁拖動系統的復雜性，并通過具體的產品實例 SGM42507，展示了如何驅動直流有刷電機、電磁鐵/電磁閥、電機繞組。此外，文章闡釋了電機的商品化分類和電機參數優化分類，并特別強調了步進電機的工作原理，進而有助于理解伺服電機和定位電磁鐵的控制機制。文末列舉了圣邦微電子的電機驅動系列產品，為讀者提供實用的解決方案和技術參考。

1 前言 

說清楚電機、發電機、電磁拖動挺困難。首先它涉及的概念跨度太大，做機電的往往側重電磁、力學和材料，顧不上驅動；做驅動的則無暇顧及小功率廉價系統。再者這組產品歷史太長，太多的產品細分、技術方案的歷史局限性掩蓋了其內在的特征的一致性，后來者只見樹木不見森林。這個情況隨著產品的更替正在改變：越來越多的應用在使用通用規格的電機，功率開關的問題成為獨立于驅動和控制的問題，IGBT、GTO、SCR、TRIAC、Darlington、BJT的復雜性因MOSFET、CoolMOS、GaN、SiC的出現而被簡化。本文試圖從內在結構差異和電調部分的分割提供一個新的視角，梳理電機和電磁拖動的簡單脈絡。

除了少數相互作用的對側都主動出力的情況，所有拖動裝置都有一個主動側和一個被動側。以 被動側的磁場如何產生作為 1 個維度，以主動側磁樞（不一定有鐵芯，如空心杯繞組）和被動側磁極（磁軛）完全相對與否作為第 2 維度，可以把包括磁鐵在內的所有電磁拖動裝置分類成圖 1 所示的 6 種組合。圖 1 中的第 3 維度與這種分類無關，是這些分類都可能有的工作模式或優化方向。

所有這些裝置都有配合的電調部分，至少有配合的接觸器和斷路器。如果把勵磁驅動和換向這 些專門的電調剝離，也不考慮功率開關及其驅動器的種類，則電調部分可從其包括的功能層級和所管理的通道數 2 個維度分類。除了最簡單的銜鐵驅動可以使用半個開關臂外，電調部分總是成對地把開關接成推挽圖騰柱使用。常見通道數是 1、2、3、4、6、8 通道，或 0.5H、1H、1.5H、2H、3H、 4H，其中 H 指 H 型橋接。圖 2 給出了這些功能層級以及一個電調電路模塊所包括的組合情況。其中，電控都完整地包括從運動控制到功率開關的所有層級，差異只在于其復雜性和如何分割。

電磁拖動應用電路還有調壓和驅動換向。把這兩部分和上圖中電控、勵磁和換流組織成一個選項，再配合額定工況，可以把拖動應用的電路模塊或集成電路的用途、應用場合和包括的層級用下表表達出來，便于直觀獲取電機和電磁拖動的對應信息。

2 清晰骨干不改支末細節繁雜多樣

除了興趣使然，業者了解學習電磁拖動的目的不外乎尋找業務機會，需要了解電磁拖動清晰骨架下支末細節的復雜性。這個復雜性表現與 3 個方面有關，即所有拖動系統中所有的主動側和被動側都是互耦互易的，動作控制大多是嵌套的，以及開關元件特性不同、可控制要求不同導致的電路多樣性。

2.1 互耦互易和混合作用

主動側線圈里面出力電流、勵磁電流是伴隨出現的。主動側和被動側之間的磁場由勵磁和反勵磁電流（感應電流）共同決定；進一步磁場梯度決定扭矩或推拉力，串聯電流和（運動）反電動勢（BEMF）決定出力。所觀察和控制的量全部包括瞬時值及其變化率。如果負載拖動電機，包括負載慣性或是勢能釋放，反電動勢成為主動的電動勢（EMF）發電輸出。繞組電感的漏感和勵磁電感本身受不斷變化的磁路產生參數調制造成非線性影響，導致對電磁拖動的測量和控制都超出了線性系統的范圍。大多設備的機械出力是洛倫茲力、安培力（感應力）和磁場儲能勢差、磁阻或凸極效應（磁阻力）的混合作用的結果。

2.2 多個過程的嵌套

圖 2 顯示了電機控制是一層層實現的。運動控制要求控制目標如何表現，參數控制把表現解釋成對若干參數（扭矩、速度、相位）的控制，到這一步的層次可以認為是很清晰的。后面的層次則表現為復雜的嵌套和組合。

常態運行時從開關控制層到開關驅動層則同時涉及 3 個不同層次的開關控制；（A）是調節供給電機的電壓或電流的開關控制，（B）是根據線圈位置改換驅動連接的開關控制，以及（C）是給繞 組產生一個等效電壓/電流的斬波開關控制。（A）部分可能包括續流電感和儲能電容，使其更像對紋波要求不高的開關電源；（C）部分可能包括續流電感和電容，主要是用于減小開關浪涌。即使（A）到（C）全部合并到一個電路模塊中實現，例如 SPWM ¹ 驅動模塊，所產生的波形也是具有交替半正弦波低頻包絡的高頻開關推挽脈沖序列。在這樣的推挽脈沖序列的每個上沖和下沖過程都經歷串聯電感電流續流或歸零²（包括電流淬滅）的過程，每個上沖和下沖還要根據調速、調相、調扭矩要求決定在一定序列持續時間內轉入飛輪³、快衰落⁴（渦流減速）、主動剎車⁵（反向激勵和回授剎車）。動作的實現是驅動層完成的，選擇哪種開關方式配合由開關控制層決定。暫態過程控制，比如拖入、脫出、嵌頓和拋載，前兩個是主動要求的過程，后兩個是被動觸發的過程；后兩個過程的反應是不同參數的拖入或脫出。拖入和脫出根據控制精細程度進一步分解成控制預案的堵轉啟動、扭矩維持⁶、整步拖入和整步脫出⁷，以及保護預案的保護脫出、失步運行（瘸行）⁸ 和再整（嘗試恢復）。

2.3 旋向控制以及其它細節繁雜多樣

旋向依靠機械方法或依靠啟動時磁極不對偶控制。除發電機和電磁鐵外，其余拖動設備在啟動時需要專門定向動作，包括短時間合成漏磁磁路和預留啟動輔助繞組和（漏磁）磁回路。 

拖動系統的強大慣性和與之相關的常態和暫態巨大負荷差異對從電源供應到負載輸出都要有對應的設計，需要保護狀態和常態之間設計一個過載狀態和一個啟動預備狀態。兩個狀態出現在整個鏈路的各個環節并需要一定的可調整性。例如從電源的接觸器、斷路器需要容忍短時間堵轉⁹，同一電源鏈路上的其它設備則需要容忍短時間啟動跌落（Cold Crane）。

驅動環節需要配合開關器件的特性。例如對 IGBT 的二次擊穿風險¹⁰需要以要求的式樣驅動¹¹，對所有開關種類都需要驅動器就近配合保護動作，上下管協同減少死區¹²。

拖動系統需要配合多個檢測電路工作，這些檢測電路用于保護和取得運行參數。除了電壓電流檢測，常用檢測還包括位置、角度、相差、扭矩和轉速檢測；這些檢測每種都有不同種類的變送器、傳感器¹³可能使用，需要不同的激勵、讀出電路。

2.4 階段性產品概念混淆加劇的復雜性 

電控產品以及電機本身的演進產生的階段性的、有局限的概念累積和流傳下來，導致的混淆使理解電控產品更加復雜。一個例子是在降低輸出 PWM 波占空比使電機減速時可能觀察到 PWM 包絡幅度上升的現象被解釋成是電機所固有的特性，從而要求選用較高電壓裕度的驅動器和開關¹⁴。這實際是突然降低占空比、電動勢被推挽臂斬波形成升壓過程，電源不能吸入或上管不允許倒流才會出現的現象。另一個例子是采用反饋控制電流的步進電機或音圈電機驅動電路給定的電流是對應某靜態位置的電流¹⁵，如果在移動中（包括兩個靜態位置間的移動和連續地移動）則驅動電流并不是該電流，而需要增加一個與對負載的拖動輸出有關的分量。這種有意無意的忽略掩蓋了電機或音圈電機使用時超常的噪聲和抖動，是驅動設計不良產生的真相。將勵磁電感電流回送到電源，或將與慣性儲能有關的電動勢送回到電源，這是兩個伴隨的獨立過程，常常被混淆。

3 說明電機驅動的一個產品實例

SGM42507是一個為小電機（<7.5V，1.5A；有刷電機調速和換向、其它類電機繞組驅動）和電磁鐵設計的全橋驅動器，可用于直流電機驅動、電機繞組驅動和電磁閥驅動等。它的工作模式完整，有堵轉扭矩維持、調壓 PWM 驅動、不制動（飛輪或滑行）、渦流制動（或對應慢衰落）、電流淬滅（對應快衰落，不直接對應主動制動或動能回授）欠壓脫出保護和短路脫出保護，有足夠的代表性。 SGM42507 選擇了僅有 6 個引腳的 TSOT23 和 SC70 封裝，需要復用 1 個輸入引腳兼做輸出和簡單時序組合，利用僅有的 2 個控制引腳完成使能/休眠待機控制、驅動方向控制和不制動（電流淬滅后滑行或飛輪）、渦流制動、電流淬滅控制，以及以不同方式輸出 PWM 和指定進入休眠待機后的驅動輸出狀態。對這 2 個控制端，即 PH 和 EN\FAULT 的操作及其作用見表1。

表 1 對 PH 和 EN\FAULT 的控制及其作用匯總

SGM42507 具有 3 個欠壓脫出和 2 個過流脫出門限可選。堵轉或過載發生觸發過流門限時， SGM42507 的 OUTA 和 OUTB 同時輸出低，直到電流下降到滯回點。如果超過預定時間不能恢復， 則 OUTA 和 OUTB 轉同時輸出高、嘗試躲避正電源短路狀態。如仍不能緩解，OUTA 和 OUTB 在同 時高和同時低之間按預定時間轉換，使過電流導通分時通過上管和下管，減少應力。如出現過熱或欠壓，OUTA 和 OUTB 轉入高阻停止輸出 ¹⁶。過載時 EN\FAULT 被 SGM42507 強行下拉產生告警輸出 ¹⁷。下拉期間 SGM42507 忽視這種它自己產生的下拉，直到告警條件解除后再讀取 EN\FAULT 輸入狀態。

3.1 使能和休眠待機控制，以及其后對輸出狀態的控制

3.2 驅動直流有刷電機 

驅動直流電機一般需要完成起止、調速和換向幾個動作。調速包括 PWM 調壓調速和加速-飛輪（滑行）的調速方式。如果有換向繞組，可利用轉換驅動方向來實現不同方向的驅動。對于利用預置扭矩方式確定旋向的電機，則無法利用驅動電路換向。不定向電機因停止時的阻力殘留，往往導致每次啟動方向不一致，可以利用再次啟動換向。對啟動的改善包括啟動時輸出較高電壓，以及在啟動堵轉時利用暫停驅動產生頓挫減少靜摩擦。SGM42507 的抗堵轉設計在輸出電流達到脫出門限或電壓低于脫出門限時轉入下管或上管同時導通的續流狀態、維持扭矩，并在過流、欠壓恢復后繼續驅動。

可以利用單臂 PWM 輸出變化有效輸出電壓的方式實現電機調速，有關波形見圖 7。如需要變化 旋向則可通過調換 PWM 輸出臂實現。這種方式電感電流處于慢衰減模式，電機以渦流方式減速， 比采用雙臂 PWM 方式減速慢，但功耗低。如果配合對 PH 的延遲驅動，則在 2 個 PWM 輸出之間電 機轉入飛輪運行，可進一步降低功耗，這時驅動電路沒有任何剎車作用。除了用于電機等感性負載， 單臂 PWM 也可用于對阻性負載驅動的功率調節。

雙臂 PWM 輸出的波形見圖 8。雙臂 PWM 輸出對速度調節較快，同時可實現旋向轉換、用于雙向調速和磁指針角度控制。雙臂輸出在 1/2 占空比時電機停轉，電感平均電流為零。這時電感電流往復如圖 9 所示¹⁸，電感電流以快衰落往復。雙臂 PWM 對阻性負載驅動無調節能力。

3.3 電磁鐵/電磁閥驅動

驅動電磁鐵/電磁閥時，一般由于繞組電阻偏大、行程小，真正利用電流、電壓脫出的機會不多（除非使用高速強力大行程電磁鐵）。圖 10 的波形顯示了一個銜鐵彈簧自復位電磁鐵在銜鐵加速、限位和復位時的波形，可識別到限位撞擊的復位行程發電。這些信號可為控制系統操作電磁鐵/電磁閥提供狀態參考依據²⁰，這種簡單控制可用于一些要求不是很高的應用中，如紅外濾光片翻板等。如需控制加速、減速、急停和抖動吸收則需要利用外部電路快速控制 SGM42507 開關實現，利用飛輪狀態方便監測復位過程。SGM42507 響應速度快，可滿足大多電磁鐵/電磁閥驅動波形合成需要。雙臂 PWM 方式可用于懸浮指針等任意定位應用。參考圖 11，借助其高速響應能力和移動反饋，它也可以用于開關驅動風門、光圈調節場合²¹。

3.4 電機繞組驅動

SGM42507 是一個完整的 H 橋，可用多個 SGM42507 來組成多繞組電機的繞組驅動。步進電機、磁阻電機、同步電機、異步電機的電調電路都包括位置或/和扭矩測量以及 PWM 或 SPWM 脈沖序列生成。參考圖 12，SGM42507 可以配合電調部分實現驅動和驅動保護。

4 實際電機和相關商品產品分類 

圖 13 是大功率 3 對極定子繞組連線示意、2 個繞組照片和一個對照的小功率 3 對極定子繞組照片。顯然無論是哪個產品繞組之間都存在嚴重耦合。進一步參考圖 14，可見同樣極數的產品的纏繞方案存在很大差異。這些方案在相同的空間里銅鐵填充的比例不同，反映了對特性要求的不同，如對速度、出力、定位能力和效率的不同要求。

由圖 15 無法判斷這是什么電機，只能看出該電機有刷。事實上它確實可能屬于不同電機商品分類。電機本身不能確定是同步電機還是異步電機，是直流電機還是交流電機。電機所能做出的分類如圖 1 所示的彩色部分的分類，其余是參數優化和驅動電調決定的。任何電機或者發電機的繞組看到的總是交流電，否則會因穩定磁場像電磁鐵一樣被停止在特定位置。

常見的電機分類大多跟歷史演進有關，發展到今天出現了大量交叉和重復。最經常聽到的分類即交流電機和直流電機，簡單講就是可直接通工頻交流電則可以工作的電機和需要通直流電才能工作的電機。交流電機和直流電機并不能包括那些需要配合不是工頻的交流電和通直流但需要配合電調電路才能工作的電機，也就是說不是所有電機一定可以分為交流電機和直流電機。

交流異步電機和交流同步電機是特指在交流電工頻供電條件下是異步還是同步²³。電機旋轉經常處于與供電相位不同步狀態的（或者不要求同步的）即異步電機；要求或追求旋轉與供電相位同步的即同步電機。在額定條件穩定工況下異步電機肯定處于同步狀態，它僅僅是控制比較粗放，在工況有變化時容易失步。同步電機是力圖保持同步的電機。如果負載有變化它利用變化工作電壓或勵磁強度保持同步，啟動時利用離合機構防止負載頓挫導致失步。那些通過變頻變壓調節轉速保持同步運行的電機和電控不被分類為交流同步電機。

直流電機是相對于交流電機做的分類，可以追溯到早期直流發電和交流發電的時代。直流發電機和直流電機都是自帶整流機（利用電刷或自整角機）的裝置，電壓波動和負載波動都不大。這個地方的所謂直流電機跟直流無刷電機沒直接關系，作為交流電機的互補區分出直流電機的時候只有有刷電機。

BLDCM 即直流無刷電機，指一個采用特定技術實現的產品，即利用電子開關分段合成 3 相波驅動的電機產品。直流無刷電機內部一定包括一個電子開關。其合成的波形從一開始的 3 段²⁴合成（120°²⁵，也叫做 6 步驅動）到 5 段合成（150°）和 2 段（180°，6 步，利用 PWM 合成），再到直接合成正弦波。3 段合成的三相波形和正弦波波形的對照可見圖 16。

BLDC 技術又進一步發展了采用 PWM 控制驅動電壓的方案，采用 PWM 調壓的 2 段合成波形見圖 17 左側，3 段合成波形見圖 17 右側。采用方波或階梯波驅動與正弦波驅動階梯處的電流諧波導致了不必要的勵磁強度，降低了鐵芯能力的利用和加大了電調系統應力。與直流無刷電機互補的是交流有刷電機，為取消直流電機的電刷而開發的 BLDC 電控同樣可以用于交流有刷電機，BLDC中的 DC 反映了其演進過程，不是其適應場合的限制。

伴隨著三相 BLDCM 概念的普及也出現了兩相 BLDCM 和單相 BLDCM。限于電調部分的成本與三相差異不大，尤其再考慮到定向繞組的驅動需要，給單相有刷電機配電調做成 BLDCM 一直都不劃算，這種兩相和單相 BLDCM 沒有被市場接受。

BLDCM 是一個產品概念，強調的是利用電調取代了電刷換流，其本質是一個把直流變換成頻率不限于工頻的交流。與隨動的電刷不同，BLDCM 不一定能保證換流與磁樞、磁軛位置隨動，也不一定要隨動。如果把 BLDCM 的電調部分分離下來，其配套的電機就是工作頻率不限于工頻的交流電機，包括他勵電機和感應電機在內的各類交流電機。BLDC 電路是最早開發的電調電路。限于當時的硬件成本和軟件成本，BLDC 電路無法經濟地滿足同步和其它精細控制需要。BLDC 電路包 括位置檢測部分、波形合成部分和驅動部分（直接驅動繞組或者驅動功率開關）。隨著硬件和計算成 本的大幅度下降，BLDC 電路也從當初采用霍爾器件做轉子位置檢測演進到了測量和分析電流和電壓的相位關系判斷旋向和是否進入同步運行，但從啟動到穩定同步運行普遍仍以開環方式過渡。只要電機和負載允許大幅度的轉速變化，利用具備 PWM 調壓能力的 BLDC 電路可以實現變頻變壓調速（VVVF）。BLDC 電調電路與后來發展起來的基于場矢量控制的 FOC（VC）電調電路相比其硬 件成本完全一致。FOC 沒有高次諧波和全部閉環控制、應力小，可充分利用材料的極限條件，從而提高了銅鐵利用率。隨著軟件和計算成本下降，FOC 電調電路會取代 BLDC 電調電路。如果僅從物理和控制結構上看，FOC 是一種精細控制的 BLDC。實際為了區別于已經普及的 BLDC，市場行銷中 FOC 一直被當做一個獨立的產品概念。除了工作的交流頻率范圍有所擴大外，FOC 對電機結構和種類也沒有特別要求。

另外一個維度的商品分類即永磁電機和非永磁電機。這個分類幾乎與其它分類正交，也就是說前面提到的和后面將提到的商品分類中任何一種都可以是永磁電機、也可以是非永磁電機。永磁電機更像是一個產品門類，而不是一個分類維度。永磁電機之所以得到廣泛認知是因為其控制相對簡單，并配合一類電調電路產生了永磁同步電機產品 PMSM，這個地方的同步電機不再像前面提到的交流同步電機一樣限于以工頻頻率工作。由于開關磁阻電機里面也采用了永磁體加大漏磁程度，因此不能采用是否使用了永磁體而判斷哪個是永磁電機哪個是非永磁電機。如果非得把永磁電機作為一個維度對電機分類，非永磁電機則包括帶有永磁體的開關磁阻電機、他勵電機和感應電機。

除了 BLDC 和 FOC，電調電路還包括歷史更為久遠、并且仍在廣泛使用的調壓調速電路和旋向控制電路，即前面例舉的 SGM42507 主要的使用場合。這 4 類電調電路均不限功率開關種類和開關驅動器種類，也適用于所有的電機種類。像 TI 等若干公司把這部分電路歸類到不同電機類型中是其市場演變過程形成的局面，一定程度上妨礙了對電機及其相關產品的認識和了解。

圖 18 示意的兩種換向繞組磁極布置與電機分類的一個維度有關，即主動磁極（磁樞）和被動磁極（磁軛）是否對偶有關。從圖 18 所示的布置看，一部分空間被用于形成換向電極，降低了銅鐵對空間的填充，從而降低了銅鐵利用率。換向極導致主動磁極和被動磁極空間位置不對偶，從而可以有明確的初始拖動方向。為了改善這種給每個極增加伴隨的繞組或者對每個極切槽的利用率損失，發展出了利用極數不匹配產生等效的不對偶的磁極布置方式，取代了這種專用的換向極的布置方案。

圖 19 顯示了多種不匹配磁極布置的情況，包括非成對極數的 3 極轉子、1 對極-3 對極配置、2 對極-3 對極配置、4 對極-6 對極配置和 3 對極-1 對極配置；右側 4 幅圖是利用啟動時改變繞組驅動順序，制造不匹配、定向啟動的情況（黑色虛線框所示）。

利用啟動時改變繞組驅動方式定向啟動是以增加驅動電路的復雜性為代價的。圖 19 右側圖中 Step 0 和 Step2 中轉子和定子凸極的位置關系一致，這時在定子上對稱勵磁不產生定向扭矩。如果分開激勵 4 個繞組，生成 Step 0 所示的定子磁場，即獲得向逆時針旋向扭矩。如果不考慮啟動，定子繞組可作為單個繞組驅動，按轉子位置轉換驅動方向即可維持旋轉。

三相交流電機和單相交流電機是兩類常見的電機產品類型，包括優化到工頻的和可以使用到其它頻率的。同樣，這兩類產品也只是商品名，并不適合作為電機分類的維度。如果把換流器分離出來，則所有電機都是交流電機。一個電機是三相還是單相與電機內部的磁極數量和繞組數量沒有必然關系（除了單繞組和雙繞組無法連接成三相這個固有限制），它與磁極分組和按分組引出繞組連線有關。所有偶磁極對數三相在這里指有固定相位關系的三相，同時三相繞組可自由連接成星形或三角形。圖 19 中間是 3 極和 3 對極三相漏磁電機的繞組布置示意（藍色虛線框所示），右側可以作為無漏磁（對偶的）單相電機繞組布局示意（黑色虛線框所示）。

三相交流電機和單相交流電機通常指工頻工作的、圖 19 中間圖形和圖 18 右側圖形所示的漏磁電機。但這個命名并不排除其它頻率和無漏磁的電機。只有漏磁的三相電機和單相電機可以通過改變接線相序和換向繞組的串聯方向的方式來改變旋向。對偶布局的電機，即使繞組組織成 3 組，要 通過圖 19 右側示意的啟動時改變繞組驅動順序的方式定向，也需要把 3 組繞組各自獨立驅動才能實現，這時需要 6 個推挽臂組織成 3 個全橋驅動，而不像漏磁三相交流電機采用 3 個推挽臂、按 120° 固定相位關系驅動即可。

如果不考慮如圖 20 所示沿軸向做空間布置優化的情況，以及對轉速、扭矩、扭矩均勻性、角度控制的單個或者若干個特性的優化，以空間和材料特性利用率看，圖 19 中間的三相繞組和磁極布置是最優化的。磁通時間變化和空間變化呼應、有明確旋向，出力連續、應力波動小。銅鐵空間占比互補、方便調整，纏繞簡單、方便軸向延伸。

5 與參數優化有關的電機種類 

大量電機商品種類對應特定應用需求，是配合電調滿足特定參數要求、對銅鐵利用、空間利用追求的、堪稱藝術品的專門設計。圖 21 是一個典型的三相交流電機的結構，用來與圖 22、圖 23、 圖 24 不同結構優化的電機作對照。

圖 13 左側圖是圖 21 纏繞試圖產生的磁場，在軸向中間區域轉子線圈相當于伸到了定子線圈的中間、軟磁材料的感應增強了定子和轉子耦合區域的磁場。在旋轉平面上的連線則在徑向上相互遠離、減小無效耦合。對極齒槽的磁場變化導致高次諧波，利用圖 24 所示轉子開槽傾斜、同時與多個定子極齒耦合予以均化、降低。圖 22 則顯示了延長軸向尺寸提高磁通量、加大出力的優化，利用錐形耦合面提供軸向推力的優化，利用空心杯無磁飽和低慣性良好動態和高速的優化。龍骨結構面向制造和維護方便優化；整體壓鑄銅芯降低電阻、提高感應電流和降低制造偏差（相對于焊接和組裝的鼠籠線圈）。除了圖示的軸向推力轉子和銅芯轉子顯然是用于感應電機外，這些參數優化結構適用于前面提到的所有電機商品分類，有刷、無刷、交流、直流、同步、異步、漏磁（磁阻）、對偶、永磁和非永磁都可以。同時也都可以利用調壓、換相（序）、VVVF 和 FOC（VC）進行調速、換向，以及使用或者不使用包括霍爾、旋變或編碼器做磁極位置傳感。

6 步進電機、伺服電機、定位電磁鐵

步進電機、伺服電機和定位電磁鐵從結構上講都是漏磁的，即通過改變漏磁情況（磁阻）實現動作。步進電機利用磁阻差做角度位置約束，每次步進都是突破一次嵌頓。無論是動態的還是靜態的，任何電機都是依靠磁阻差實現旋轉動作和會表現出嵌頓的，但只有傳統的步進電機需要強化和利用嵌頓保持位置和實現按步移動，而其它電機則盡量減少嵌頓和保持連續移動。做細分驅動的步進電機則是反步進電機傳統的努力方向。它利用控制相電流的比例控制合成磁極的位置，使等效的嵌頓位置可以在由鐵芯（或線圈）形成的嵌頓位置間偏離，提高定位分辨率，利用電流大小控制嵌頓的約束力。圖 25 是可當成步進電機使用的漏磁電機（左側）、利用凸齒的步進電機（中間）和可作為伺服電機使用的盤式電機（右側）結構的示意，配合后續部分說明工作原理及其結構優勢。

步進電機在其步進過程中把轉子從一個嵌頓位置拖到下一個嵌頓位置的過程與連續旋轉電機持續維持的拖動是同一個過程。到達并穩定到新的嵌頓位置對應旋轉電機的整步運行；脈沖激勵時如果一個步進脈沖沒能把轉子拖到新嵌頓位置，轉子退回到開始位置對應旋轉電機的一個失步周期。 

圖 26 的左半部分是將圖 25 中左側的 3 對-4 對極沿周長展開成平面，并只保留 3 極-4 極的簡化圖，用來解釋脈沖激勵的傳統步進電機的工作過程。圖 26 左上圖中極 A 和極 0 對準，磁路短、磁阻低。如果要使轉子沿圖中箭頭方向移動、到達左下圖所示的下一個嵌頓位置，則需要加大對線圈PB的激勵。該激勵需要克服把 A 和 0 拉開的阻力，才能使 B 和 1 對準，完成一次步進。

左側步進結構的分辨率由極的組數和極數差決定，受限制于線圈充填空間的限制，不容易提高。右上圖用來說明利用極齒增加分辨率的原理，右下圖是一個游標卡尺的圖片，利用每對磁極相對極齒的齒數差，可以使每次對磁極驅動只移動每個極所占角度的“齒數差/齒數”倍，取得更高分辨率。回看左上圖，如果換成對 PD 通電，則把轉子向另一個方向拉動、使 D 和 2 對準。這再次印證了如果要控制啟動旋向，磁極不能是對偶的；有漏磁才能控制扭矩定向。

圖 26 中的磁路差僅僅是由極齒的些許錯開導致的；為了突出這種磁路差，圖 27 用 3 極對 1 極表達了這種磁路差，并把 2 個嵌頓位置之間的距離記做一個 360°循環。圖 28 表達了在這個循環內磁場儲能和約束力的變化，以及如何利用連續地配置驅動電流比例、改變合成的磁極產生拖動。

圖 28 中的儲能變化可以是永磁體與軟磁體鐵芯相互作用的結果，也可以是在勵磁磁場磁路變化造成的。傳統的脈沖驅動步進電機驅動時只要脈沖驅動期間提供的能量高于儲能波動的部分，就可以把轉子拉過不穩定點、進入下一個嵌頓點。越過嵌頓點后，激勵產生的推力和勢能變化在同一個方向上使轉子加速移動到下一嵌頓點。如果沒有阻尼設計，轉子不會快速穩定到下一嵌頓點，而是會在該嵌頓點兩側以欠阻尼振蕩慢慢穩定。對步進電機的驅動可以是相電流組合，也可以是電流單脈沖。單脈沖驅動設計時，各相電流絕對值的總和與永磁體磁場強度的代數和共同決定向嵌頓點的約束力和驅動脈沖幅度；控制脈沖持續時間與采用預加重波形驅動可減少在新嵌頓點的振蕩時間。采用電流組合或脈沖驅動時相當于突然移動了定子磁場的位置，然后等著轉子被拖動過來。圖 28 中的橙色曲線用來說明細分驅動的情況，細分驅動利用控制相電流的比例關系，使合成的磁極偏離線圈和鐵芯的實際位置。如果考慮到電流可以轉換到反向，并且不考慮永磁體磁場的部分，該移動可以達 180°。利用細分一方面可以使嵌頓點細微移動，提高分辨率；另一方面它可以緩慢地使轉子移動和停止，減輕振蕩和噪聲（相當于從相電流組合的每次變化對應360°移動，變成的細分程度決定微小移動）。當合成的定子磁極位置比轉子位置超前90°時約束力最大。如果轉子需要克服的只是摩擦力，超前90°仍可維持拖動；如果是主動動力則約束力開始減小、失步退回前一嵌頓點。如果一直保持合成磁極不斷地循環移動，轉子也會不斷地跟著移動，這時步進電機就跟其它電機一樣了。期間如果一直保持了較穩定的超前角即同步電機的工作模式，如果保持不住即異步模式。磁場能和扭矩與電流直接關聯，大多步進電機以控制其電流方式驅動。在高速 BEMF 作用大時，采用控制電壓的驅動方式可以更快地響應速度變化。

與步進電機有意利用嵌頓點不同，伺服電機和電磁鐵需要更精準的控制。圖 28 中嵌頓點附近儲能變化平緩，需要從磁極結構布局上避開。圖 25 右側的交錯布置使得總有線圈與對側磁極處于 90° 左右，從而使其在任何位置都有高控制增益。電磁鐵則利用限位裝置使其工作在0°~180°范圍中的任意一段，或采用線圈接力的方式使動鐵保持在 90°附近。

所有電磁拖動裝置同構。掌握好步進電機（或電磁鐵）在 2 個嵌頓點之間的移動及其驅動要求有助于理解所有其它種類的裝置，惠及產品設計和應用。

7 電機驅動系列產品

¹ 利用輸出不同占空比得到呈正弦或者半正弦直流分量的脈沖寬度調制波序列。
² 歸零即勵磁電流歸零或者退磁的過程。磁極相對位置變化后勵磁方向需要相應變化以適應出力的需要。歸零形式包括接入反向電源或者利用電容儲能將勵磁儲能送回電源或儲能電容，其中利用反向升壓后與儲能電容做儲能交換最有利。升壓儲能電路稍顯繁瑣但有利于提高能效和提高可用轉速。如果不做專門處理，則反向電動勢和阻性損耗參與退磁的占比升高，簡單但不利于提高能效。
³ 如果在感性電流歸零后斷開驅動或短路驅動，電機處于自由旋轉狀態。
⁴ 如果在感性電流歸零后保持對繞組短路，繞組的反向電動勢在慣性維持期間產生渦流電流。這個渦流電流產生反向扭矩。短路阻抗低時渦流會很大，可使電機快速停止。
⁵ 對繞組反向驅動，驅動電壓和之前運動方向的反電動勢共同作用使感性電流迅速下降。繼續維持反向驅動則開始出現反向出力，即慣性電動勢向驅動源回授，同時（可能）更快地減速。
⁶ 堵轉時沒有反向電動勢，全部驅動電壓長時間施加在繞組電感導致電流激增。可以間歇驅動、以小幅度波動維持電流保持扭矩，使電機逐步啟動。
⁷ 同步電機控制驅動波與旋轉的超前或滯后，逐步把旋轉拖入到要求的轉速或逐步減速停止。
⁸ 出現部分失效時以安全的方式逐步停止，或以替代的方式維持運行。
⁹ 具備矢量控制能力的系統受控地逐步拖入運行，減小啟動時的堵轉沖擊。
¹⁰ BJT、SCR、OTG、TRIAC、Darlington 和 IGBT 雪崩擊穿時配合離散電感產生負阻震蕩可能導致持續二次擊穿，直至燒毀開關。
¹¹ 驅動期間變換電壓、驅動源內阻、電流，臨界飽和驅動等等。
¹² 檢測動作發起端的開關狀態，如是否脫離線性段（Miller 平臺），決定啟動跟隨端。
¹³ 變送器指對傳感器信號調理后、具有某種標準形式的輸出的單元；傳感器強調其把非電信號轉換成電信號的角色，不一定要求標準輸出形式和供電形式。常用外部方案包括光電編碼、磁編碼、旋變電機、自整角機、電阻/電容/電感應變計；內部方案包括正交分量測量和磁極耦合關系測量。
¹⁴ 這個要求與從增強可靠性出發要求降額使用不是一個概念。TI 的驅動產品資料中多有討論。
¹⁵ 可見于 SGM42630 說明；其設計參考了 TI 公司的 DRV8818，性能有些許改良，可互換使用。
¹⁶ 過流時采用維持電流通道的方式保護以保持一定扭矩。同時，保持導通時的抗電流過載能力大于開關的體二極管的抗過載能力。
¹⁷ 大多 MCU IO 有獨立的輸出寄存器和 IO 檢測，報告 IO 狀態與寄存器出現了不同。
¹⁸ 圖 3 ~ 圖 5，圖 7 ~ 圖 9 波形由圣邦微電子（北京）股份有限公司研發部實驗室配合獲取。
¹⁹ 圖 6、圖 10 波形由圣邦微電子（北京）股份有限公司北京應用試驗室配合獲取。
²⁰ 此信號不能取代電磁鐵/電磁閥位置信息，它只真實反映欠壓和過流情況。它可以作為一個輔助信號判斷是否正常加速和已經出現限位阻塞。
²¹ 采用移動反饋精細控制阻尼過程時，PWM 調制輸出的頻率需要遠大于移動反饋的帶寬。
²² 圖 13~圖 15 采集自互聯網鵬芃科藝圖片；鵬芃科藝網頁聲明允許引用其圖片用于科普。
²³ 同步和異步指轉子凸極是否能跟得上定子旋轉磁場的變化。跟得上是同步，反之是異步。
²⁴ 3 段、5 段、2 段是指一個 PWM 周期內的不同階段或區間（如圖 16 為 1、0、-1 三個階段）。
²⁵ 120°、150°、180°是指電機控制中每相繞組被激活后持續的電角度。例如，在 120°控制中，每個 PWM 周期被分成三個 120°的區間；在 180°控制中，每個周期被分成兩個 180°的區間，每個區間使用不同的 PWM 占空比來控制電流的幅值和相位，以產生更平滑的電流波形；5 段合成（150°）是對 3 段合成的改進，通過在每個 PWM周期中增加兩個額外的步驟，使得電流波形更加接近理想的正弦波。
²⁶ 圖 21 采集自互聯網鵬芃科藝圖片；鵬芃科藝網頁聲明允許引用其圖片用于科普。