作者：工业和信息化部人才交流中心
出版社：电子工业出版社
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电机和电源控制中的最新微控制器技术试读：
前言
物联网和人工智能应用的热潮已经袭来，万物互联和智能化运行将是未来世界的发展趋势。作为供电系统的电源设备和作为执行机构的电机系统，更需要进行网络化和智能化的管理与操作，要实现这个目标，必须基于微控制器设计数字控制的电机和电源系统。
本书是“物联网与人工智能应用开发丛书”中的一本，主要从工程实践的角度出发，结合恩智浦半导体用于电机和电源控制的微控制器产品介绍了主流电机类型和电源拓扑的控制。除了理论介绍，本书在篇幅上着墨于实际工程开发，分享基于恩智浦半导体微控制器控制的经验和方法。电机控制部分包括永磁同步电机（PMSM）的无位置传感器矢量控制（FOC）和有位置传感器的伺服控制、基于转子磁链定向的交流异步电机（ACIM）的矢量控制、无刷直流电机（BLDCM）的无位置传感器控制、开关磁阻电机（SRM）的无位置传感器峰值电流检测控制、步进电机的位置开环细分控制和位置闭环伺服控制；电源控制部分包括以图腾柱无桥式PFC变换器和LLC DC/DC谐振变换器为例的AC/DC控制，以及符合无线充电联盟（WPC）Qi标准的15W感应式无线充电系统的控制。
本书的读者需要具备电机/电源及其控制的相关知识和微控制器的基本知识。本书可以为高校电气、电力电子专业的研究生和企业工程技术人员提供参考和借鉴。
全书共11章，第1、4章由王玲玲执笔，第2章由周序伟、高翔和王德昌共同执笔，第3章由叶万富执笔，第5章由刘华东执笔，第6、8章由丁文双执笔，第7章由周序伟执笔，第9章由李树楠执笔，第10章由高翔执笔，第11章由王德昌执笔。全书由叶万富负责策划统稿。张阳杰、江登宇、王力、赵萍和毛欢参与了前期的材料准备和后期的校对工作，在此一并表示衷心的感谢。
感谢本丛书专家指导委员会的各位专家对本书大纲给予的宝贵建议，感谢在本书的编写过程中给予指导和建议的老师和工程师同事们。书中不足之处，恳请广大读者批评指正。物联网与人工智能应用开发丛书《电机和电源控制中的最新微控制器技术》作者团队2018年2月缩略语
A4WP：Alliance for Wireless Power，无线电力联盟
AC：Alternating Current，交流电
ACIM：Alternating Current Induction Motor，交流感应异步电机
ACK：Acknowledge，接收应答
ACMP：Analog Comparator，模拟比较器
ADC：Analog-to-Digital Converter，模/数转换器
APF：Active Power Filter，有源滤波器
APFC：Active Power Factor Correction，有源功率因数校正
ASK：Amplitude-Shift Keying，振幅键控
BDM：Background Debugging Mode，在线调试接口
BEMF：Back Electromotive Force，反电动势
BLDCM：Brushless Direct Current Motor，无刷直流电机
BOM：Bill of Material，物料清单
BPP：Baseline Power Profile，基础功率协议
CAN：Controller Area Network，控制器局域网络
CEP：Control Error Packet，控制误差包
CLA：Control Law Accelerator，平行加速器
CPU：Central Processing Unit，中央处理器
DAC：Digital-to-Analog Converter，数/模转换器
DC：Direct Current，直流电
DCM：Discontinuous Conduction Mode，断续导通模式
DDM：Digital Demodulation，数字解调
DMA：Direct Memory Access，直接存储器存取
DSC：Digital Signal Controller，数字信号控制器
DTC：Direct Torque Control，直接转矩控制
EMC：Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性
EPP：Extended Power Profile，扩展功率协议
EPT：End Power Transfer，停止功率传输
EtherCAT：Ethernet Control Automation Technology，以太网控制自动化技术
Ethernet：以太网
EV：Electronic Vehicle，电动汽车
FACTS：Flexible AC Transmission System，柔性交流输电系统
FHA：Fundamental Harmonic Approximation，基波近似
FOC：Field-Oriented Control，磁场定向控制
FOD：Foreign Object Detection，异物检测
FSK：Frequency-Shift Keying，频移键控
GaN：氮化镓
GDU：Gate Drive Unit，门极驱动单元
GPIO：General Purpose Input/Output，通用输入/输出
GTO：Gate Turn-off Thyristor，门极可关断晶闸管
GTR：Giant Transistor，电力晶体管
HEMT：High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管
HSCMP：High Speed Comparator，高速比较器
HVDC：High Voltage Direct Current Transmission，高压直流输电
I/O：Input/Output，输入/输出
IDE：Integrated Development Environment，集成开发环境
IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管
IGCT：Integrated Gate Commutated Thyristor，集成门极换流晶闸管
IIC：Inter-Integrated Circuit，集成电路总线
IIR：Infinite Impulse Response，无限冲击响应
IPM：Intelligent Power Module，智能功率模块
IPMSM：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，内嵌式永磁同步电机
IT：Information Technology，信息技术
JTAG：Joint Test Action Group，联合测试组
KMS：Kinetis Motor Suite，Kinetis电机控制套件
LDO：Low Drop-Out Regulator，低压差调节器
LED：Light Emitting Diode，发光二极管
LIN：Local Interconnect Network，本地互联网络
LLC：LLC Resonance，双电感单电容谐振
MCU：Microprogrammed Control Unit，微控制器
MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管
MRAS：Model Reference Adaptive System，模型参考自适应法
MTPA：Maximum Torque Per Ampere，最大转矩电流比
NAK：Not-Acknowledge，没有应答
ND：Not-Defined，无定义
NFC：Near Field Communication，近场通信
PCI：Peripheral Component Interconnection，周边元件扩展接口
PDB：Programmable Delay Block，可编程延时模块
PF：Power Factor，功率因数
PFC：Power Factor Correction，功率因数校正
PFM：Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制
PI：Proportional-Integral，比例积分
PID：Proportion Integration Differentiation，比例积分微分
PM：Power Management，电源管理
PMA：Power Matters Alliance，电力事业联盟
PMSM：Permanent Magnet Synchronous Motor，永磁同步电机
PRC：Parallel Resonant Converter，并联谐振变换器
PSRR：Power Supply Rejection Ratio，电源电压抑制比
PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制
QC：Quick Charge，快充
RAM：Random Access Memory，随机存取存储器
RC：Resistor Capacitor，电阻电容
ROM：Read-Only Memory，只读存储器
RPM：Revolution Per Minute，每分钟转速
Rx：Receiver，接收器
SCI：Serial Communications Interface，串行通信接口
SiC：碳化硅
SIP：System In Package，系统级封装
SM0：Sub-Module 0，子模块0
SM1：Sub-Module 1，子模块1
SM2：Sub-Module 2，子模块2
SM3：Sub-Module 3，子模块3
SPI：Serial Peripheral Interface，串行外设接口
SPMSM：Surface Permanent Magnet Synchronous Motor，表贴式永磁同步电机
SRC：Series Resonant Converter，串联谐振变换器
SRM：Switch Reluctance Motor，开关磁阻电机
SVC：Static Var Compensator，静止无功补偿器
SVG：Static Var Generator，静止无功发生器
THD：Total Harmonic Distortion，总谐波失真
TMU：Trigonometric Math Unit，三角函数算术单元
Tx：Transmitter，发射器
UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器
UPS：Uninterrupted Power Supply，不间断电源
USB：Universal Serial Bus，通用串行总线
V2G：Vehicle-to-Grid，电动汽车与电网的交互
WCT：Wireless Charging Transmitter，无线充电发射器
WPC：Wireless Power Consortium，无线充电联盟
WPID：Wireless Power Identifier，无线充电设备标识
ZVS：Zero Voltage Switch，零电压开通第1章电力电子技术应用综述电力电子技术是电气工程、电子科学与技术、控制理论三大学科的交叉学科，其主要是利用电力电子器件进行电能变换和运动控制。电力电子技术的应用领域涉及国民经济和社会生活的方方面面，已然成为传统工业（电力、机械、交通、化工、矿冶等）革命和战略性新兴产业（通信、激光、航天、人工智能、电动汽车、新能源等）发展的重要手段和基础技术之一。特别是近年来，清洁低碳、安全高效、智能互联的强烈诉求给了电力电子技术千载难逢的发展机遇，成为推动其快速发展的原动力。只有充分了解电力电子技术及其市场应用需求，把握其未来发展趋势，才能持续完成这一领域的不断突破和发展。本章介绍了电力电子技术的发展现状，分析了当前热门领域的市场应用并总结了几点其未来的发展趋势。1.1电力电子技术发展现状
电力电子技术包括三大部分：电力电子器件、电力电子（功率）变换技术和控制技术。电力电子器件是电力电子技术的核心和基础，对电力电子技术的发展起着决定性的作用，每一代新型电力电子器件的出现都将带来一场电力电子技术的革命。
从20世纪50年代第一个晶闸管问世至今，半个多世纪的时间，功率器件的发展日新月异，经历了从半控型器件（晶闸管）到全控型器件（GTO、GTR、功率MOSFET等），再到复合型器件（IGBT）的发展历程，90年代又出现了智能功率模块（IPM），总体向着大功率、易驱动、高频化和高功率密度的方向发展。在这个过程中，有些器件被逐渐淘汰，有些器件仍然在结构、制造工艺和材料方面不断探索和改良，对电力电子器件的现状综述如下。（1）功率MOSFET是一种单极型电压驱动型器件，所需驱动功率小，开关速度快（可工作于100kHz），并且没有二次击穿，但其标准工艺下开关频率和功率容量的乘积、器件耐压和电流容量之间的矛盾受材料限制。高压功率MOSFET导通电阻较大，限制了其使用范围。1998年英飞凌（INFINEON）公司提出超级结概念，突破材料极限，在保持阻断电压的基础上，使MOSFET的导通电阻大大降低，有效解决了长期以来的耐压和导通电阻之间的矛盾，该技术称为CoolMOS技术。最新一代的CoolMOS技术阻断电压覆盖500～800V，兼具极低的导通电阻和超快的开关速度。（2）IGBT兼具场控器件的快速性和双极型器件的低导通损耗，主要工作频率为几十千赫兹，是目前市场上的主流电力电子器件。事实上，IGBT的阻断电压上限不断被刷新。1985年人们认为IGBT的极限耐压为2kV，而目前商业化的IGBT耐压已经达到6.6kV，并且还在不断提升。（3）IGBT耐压耐流的不断提升，逐渐蚕食着晶闸管、GTO的传统领地，ABB与三菱公司通过分布集成门极驱动、浅层发射极等技术，合作开发了GTO的更新换代产品—集成门极换流晶闸管（IGCT），减少了门极驱动功率，提高了开关速度。目前IGCT已达到9kV/6kA研制水平，6.5kV或者6kA的器件已经开始供应市场，其有望成为高压高功率场合优选的电力电子器件之一。（4）随着工艺和制作技术不断突破，依照最优的结构，将一个或多个功率器件及其驱动、保护等电路集成在一个硅片或基板上，然后封装成一个智能功率模块，这样减小了器件体积，方便使用，并大大降低了电路引线电感，从而抑制了噪声和寄生振荡，在同样的场合可以选择更小容量的功率器件，提高了整个系统的效率和可靠性。9（5）当前，硅基电力电子器件的功率频率水平基本上稳定在1010～10W·Hz，已经逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，如图1-1所示。而电力电子设备指标不断提升，传统硅材料器件显得力不从心，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料迅速发展，以此为基材的电力电子器件开关速度快、寄生电容小、芯片面积小，成为超高效电力电子设备的主要推动力。其中，SiC电力电子器件最为成熟，各种SiC电力电子器件被研发出来，但是由于受成本、产量及可靠性限制，目前产业化产品主要集中在低压领域，高压SiC器件也有一些成熟产品并在不断进入市场。GaN材料具有独特的异质结构和二维电子气，可以实现超快的开关速度，从而使一些不可能实现的电路成为可能，目前全球都在不断加大GaN半导体器件的研发，已经有650V以下的平面型高电子迁移率晶体管（HEMT）问世。
目前，市场上电力电子器件的主力军仍然是硅基功率MOSFET和IGBT等，具体应用场景主要以电压和功率等级来划分：在超大功率（电压为3.3kV以上、容量为1～45MW）领域，晶闸管和IGCT具有巨大市场；在中大功率（电压为1.2～6.5kV）领域，IGBT是主流产品；在中小功率（电压为900V以下）领域，功率MOSFET是应用最广泛的电力电子器件。图1-1 电力电子器件的功率频率乘积和相应半导体材料极限
电力电子技术的高速发展，除了得益于电力电子器件的更新换代，新的功率变换技术和控制技术也功不可没。电力电子功率变换技术是电力电子技术的具体设计和应用，是伴随着电力电子器件同步发展的，更高性能的电力电子器件可以提升原有功率变换电路拓扑的性能，甚至突破原有电路拓扑的限制并发展出新的功率变换电路拓扑。然而，在器件性能瓶颈和成本压力下，为了满足越来越苛刻的市场需求和越来越广泛的应用场景，功率变换技术不断发展突破，除了从不控、半控强迫换流技术发展到现今普遍使用的脉冲宽度调制（PWM）控制外，还派生了多重化、软开关、多电平等技术。
在控制技术方面，最初的分立元件模拟控制，逐渐发展成集成芯片控制、专用电源管理芯片和通用微控制器相结合的混合信号控制，以及专用微控制器或数字信号控制器的全数字控制。全数字控制技术的诸多优势相应地推动着数字控制用的微控制器技术的迅速发展，在功能完善的前提下提高性能、增加片上系统集成度、减小封装尺寸、降低运行功耗等。由于市场需求的不断变化和大规模生产的不断发展，对产品平台化设计的需求日益迫切，传统的模拟控制技术正在逐步让位给数字控制技术，高端电源和运动控制领域已经完全进入了数字化控制时代。1.2市场应用场景
电力电子技术是电子技术在电力行业的应用，也称为节能技术，应用非常广泛，覆盖从发电、输电到用电的各个环节，如图1-2所示。
现代社会电力电子产品无处不在，90%以上的电能都经过电力电子技术的处理。下面主要介绍几个近年来比较热门、发展比较迅速的典型应用场景。图1-2 电力电子技术应用场景
1.电网
世界范围内，传统电网正在发生着革命性的改变，其依靠现代信息、通信和控制技术变得更加清洁智能。另外电力市场由垄断逐渐走向社会，不断推动着能源结构、能源效率及能源质量的革新。先进电力电子技术是智能电网建立的核心技术。
1）新能源
现代社会，越来越多的能源需求与逐渐枯竭的化石能源之间的矛盾日益尖锐，社会发展与自然环境的关系引起国际社会的普遍关注。推广可再生绿色能源势在必行，很多国家都已经将其正式列入国家发展计划。我国国家能源发展行动计划预计2020年非化石能源占一次能源的消费比重将降至15%。目前商业化发展前景较大的低碳发电方式为风力发电和光伏发电，其核心技术之一就是功率变换技术和并网技术。先进的功率变换技术和并网技术可以实现发电装置的高效率、大容量、小体积、低重量和高可靠性，如变速恒频风力发电系统，其耗电量可以比传统的控制方式减少30%左右，交直交或交交变频器使风力发电机输出达到并网要求的同时实现最大风能捕获，光伏逆变器可以直接将光伏阵列的直流电转换为交流电并入电网。另外，由于大规模、分散性的可再生能源所固有的间歇性、不确定性等问题，必须通过使用先进的电力电子技术来保证可再生能源发电的大规模、分布式接入和远距离输送，使电网对可再生能源具有容纳性和适应性，从而提高清洁能源比重，有效应对全球气候变化。
2）电能输送
我国2/3的煤炭基地在山西、陕西和内蒙古，大型陆上风能和太阳能发电基地分布在西北、东北、华北地区，能源基地与消费中心分布严重失配，而消费中心能量需求逐年增长，这就必须通过可靠的电力电子装置来提高现有输电线路的输送能力和稳定性。基于电力电子技术的柔性交流输电系统（FACTS）、超高压直流输电及柔性直流输电等将成为未来电网发展的主要技术领域，有望从根本上改变电网的质量。目前，国际上已经有了FACTS、超高压直流输电及柔性直流输电技术的实际应用，可以有效降低系统损耗、提高输电经济性和稳定性，从而在不增加现有输电走廊的基础上，满足迅速增长的电力需求。除此之外，积极发展分布式发电、构建能源互联网也是解决能源与消费分布失配的重要手段。
3）电能质量控制
随着分布式发电和可控电力负载等的大规模发展，大量电力电子装置被引入电网，电能质量问题日益突出，一方面，电力电子技术改变了现代社会生产和生活用电模式，对电能质量的要求不断提高；另一方面，大量的电力电子装置给电网带来了严重的污染问题。相关统计数据表明，美国每年由电能质量造成的损失高达上千亿美元。同时，随着电力市场化的不断推进，电能作为一种商品也需要接受按质定价，这必然带动电能质量控制技术的发展，产生大量改善电能质量的电力电子装置，如UPS、SVC、SVG、APF、电力储能装置等。
2.电动汽车
电力电子技术如电动机牵引、变频装置、自动控制系统、磁悬浮技术等，在交通工具中的应用是比较常见的。近年来，随着社会经济不断发展，全球私家车保有量逐年上升，汽车尾气已经成为温室气体和有害气体的主要贡献者之一，汽车和环境的协调性成为未来汽车产业发展的主要方向。电动汽车（EV），顾名思义，以电力作为动力源，通过电动机将电能转化为机械能。由于上游能源结构的改变、技术进步和政策不断激励，电动汽车作为清洁、高效的交通工具的市场认可度不断提升，不少国家和汽车制造企业都相继制订了燃油车停售时间表，电动汽车的未来市场份额还将呈现高速发展态势。电动汽车根据动力源分为3类：纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车，这3类汽车都需要电动机驱动的变频器、能量管理的双向DC/DC转换器、辅助电源、动力电池充电器等电力电子装置，并对其提出了更严格的效率、体积、安装、电磁兼容及可靠性等要求。
3.无线充电
无线充电技术常采用电磁感应原理或电磁共振原理，将能量从发射端转移到接收端。利用固定的发射端服务于移动的接收端的无线充电技术，具有便捷、安全、空间利用率高等特点，非常适合咖啡厅、机场、办公室、公交站、停车场等公共场所，可有效解决智能设备充电线的束缚，以及电动汽车充电桩短缺、续航能力不够等问题，是未来充电技术升级的方向。目前，无线充电技术在小功率场合发展已经成熟，特别是在智能手机行业，行业龙头苹果公司、三星公司的最新产品都支持无线充电。预计到2020年，具备无线充电功能的电子设备出货量将超过10亿部。
4.信息技术（IT）产业
21世纪是信息网络的时代，网络开辟了一个新的空间，网络连着地球上几乎每个国家和地区。近年来，IT设备的需求量呈爆发式增长，功能大量增加，随之而来的应用丰富多彩，电子商务、社交网络、网络游戏、视频、直播等行业的业务规模持续扩大，新技术应用物联网、虚拟现实、增强现实等不断渗透，在云计算、大数据的推动下，数据中心数量呈指数增长。据Cisco预测，2015年至2020年，全球数据中心数量预计增长3倍。因此，IT设备和数据中心的电力消耗也在逐年激增，高效率的供电电源体量大、前景良好。移动及小功率的IT设备供电电源均由功率因数校正（PFC）和DC/DC模块组成，数据中心能量消耗非常高，除了常规电网供电外，还需要不间断电源来提高供电可靠性。
5.电机节能
电力系统中大约50%的电能是被电机消耗掉的，电机的效率与电机本体结构和控制方法有关，为了提高能源利用率，变频调速控制的电机在家用和工业领域得到了广泛的应用，这些变频调速电机系统大多由电力电子变换器来驱动。随着半导体技术的发展，高性价比的微控制器和电力电子器件的出现使得电机的高效率控制能够实现并推向市场。例如，家电领域中最早流行的是单相异步电机和通用电机（交直两用电机），其控制简单但整体效率不高，而现在越来越多的家电（空调、冰箱压缩机、滚筒洗衣机等）已经普遍使用无刷直流电机（BLDCM）/永磁同步电机（PMSM）并配合矢量控制来达到较高的控制精度和效率。
6.国防装备
国防装备是国家安全和发展的重要支撑，电力电子技术是现代国防装备发展的核心技术之一，航母、舰船、坦克、战机、激光炮等国防装备的特种电源、驱动、推进、控制等均涉及电力电子技术。例如，新一代航空母舰的电磁弹射采用变频直线电机驱动，400MW大功率变频器可在3秒内将30吨重的飞机加速到起飞速度。1.3未来发展方向展望
在清洁低碳、安全高效、智能互联的社会需求推动下，电力设备从源端到负荷端的电力电子化大环境已经形成，并且将不断深化、完善，朝着应用技术高频化、硬件结构集成模块化、全数字控制和产品绿色化的方向发展。
在应用层面，源端可再生能源、电动汽车、储能系统等将得到更广泛的应用，化石能源逐步让位给可再生能源，集中式发电逐步向分布式发电转变，社区微网、工厂微网、商业区微网、电动汽车充电站、新能源电站等构成城市能源互联网，电能流动从传统单向流动变为多向流动。面对未来智能电网的电压源直流输电装置、双向DC/DC变换器、固态变压器、即插即用的能源路由器，以及电动汽车与电网的交互（V2G）、虚拟同步机控制、需求侧控制、安全保护等技术还处于研究的初级阶段，到大规模市场化还有很大的发展空间。负荷端所需的电能形式丰富多样，应用领域持续拓展，小体积及高功率密度是其主要发展趋势，电池充电、通信电源、变频传动、无线充电、特种电源等是其当前研究热点。
在技术层面，电力电子技术的未来发展方向主要有以下几个方面。（1）高效化。电力电子装置是连接能源源端和负荷端的中间处理环节，这需要在功率变换过程中，利用先进的电力电子器件、优化的功率变换技术和自适应的控制技术尽可能地提高功率变换的效率，减少能源损耗，降低成本。（2）高频化。为进一步提高功率变换器功率密度、减小体积，高频、超高频技术是主要的研究方向，其对器件、拓扑、驱动及控制都提出了更高的要求。硅基电力电子器件本身发展空间有限，SiC和GaN宽禁带电力电子器件将在多领域获得应用，但是其材料和工艺上还有很多问题需要解决。（3）集成化。集成化不再局限于功率器件，更多地拓展到一个功能块，将一个功能块甚至整个系统的硬件都以集成电路的形式封装在一个模块中，从而进一步减小体积，减轻重量，方便设计、制造，并有效拓展传统技术在高频、超高频应用中的限制范围。（4）数字化。数字控制是现代电力电子技术的重要标志之一，为满足需求多样、调试方便、安全维护等需求，以数字控制器为核心的智能化管理控制应用范围不断拓宽。（5）智能化。智能互联的大环境下，电力设备不再只是能量变换和传送的装置，还肩负着信息传递和交换的任务，类似于信息互联网。在能源互联网中如何将通信功能与功率变换部分有机地集成在一起，并使信息传递与功率处理在任何工况下均可协调工作是未来需要解决的关键问题。
总而言之，21世纪电力电子技术将在应用需求推动下不断向前发展，新技术的出现会使许多应用产品快速更新换代，还会开拓更多的应用领域，实现高效率和高品质的发电、用电相结合。1.4小结
电力电子技术作为传统产业变革及新兴产业发展的基础技术之一，还存在很大的发展空间。本章对电力电子技术的发展现状、应用市场场景和未来技术发展方向进行了梳理和总结。电力电子器件、功率变换技术和控制技术都已经发展得相对成熟，在很多领域得到了广泛的应用，但是为了应对未来更加严格的要求，电力电子技术还要向着减小体积、降低成本、提高效率、提高功率密度和增强系统稳定性的方向不断发展。第2章电机和电源控制简介随着微控制器技术的发展，数字控制在电机和电源控制系统中得到了越来越广泛的应用。数字控制的软件实现和电路结构越来越简单，控制策略灵活多变，数字控制器可以消除由于分立元件的离散性和外界因素造成的不稳定性，简化了电路结构，降低了成本，同时可以利用微控制器强大的运算处理能力实现先进复杂的算法。通过数字控制可以方便地实现电机、开关电源和无线充电等电力电子功率变换应用的控制。本章从总体上简单介绍了常见电机和电源的类型及其相应的控制技术，包括常见电机类型及其控制技术、常见电力电子变换拓扑及感应式无线充电技术。2.1常见电机类型及其控制技术
按激励电源频率可以将电机分为交流电机和直流电机，如图2-1所示。如今常用的电机种类主要有直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机和步进电机等。2.1.1 直流电机
图2-1中的直流电机是指有刷直流电机（Brushed DC Motor）。其定子上安装励磁绕组或永磁体。转子上有多组绕组与机械换相器（Commutator）连接，外部直流电源通过电刷（Brush）与换相器接触从而给转子绕组激励。定子励磁绕组施加激励后（或永磁体）在空间中产生一个位置固定的磁场，当转子绕组施加电流后，定子磁场将吸引转子向其方向旋转。随着转子的旋转，电刷会通过机械换相器改变转子绕组内电流的方向，以保持转子磁场与定子磁场始终正交的位置关系，从而实现连续旋转运行，如图2-2所示。图2-1 常见电机的分类图2-2 有刷直流电机示意图
根据定子励磁绕组的连接方式，有刷直流电机又可进一步分为他励式、串励式、并励式和复励式。串励式有刷直流电机中励磁绕组与转子绕组串联，因其在交流和直流电源下都能工作，故被称为通用电机（Universal Motor）。通用电机可以通过串联变阻器来调节绕组电压，或用PWM斩波、通过晶闸管调节开通相位角来控制绕组上施加的电压从而实现调速，控制简单。但有刷直流电机本体构造复杂，电刷会带来较差的EMI和可靠性。2.1.2 交流电机
驱动电源为交流信号的电机统称为交流电机，其种类繁多，常用的交流电机根据工作原理不同可分为异步电机（Asynchronous Motor）、同步电机（Synchronous Motor）和变磁阻电机（Variable Reluctance Motor）。变磁阻电机由于其定子、转子上都有齿极从而可以获得较大的凸极效应，由于它是靠磁阻转矩（转子齿极倾向于与定子齿极对齐来最大化定子绕组产生的磁链）来驱动转子，故转子上没有绕组。
1.异步电机
三相交流感应电机（AC Induction Motor）是最具有代表性的异步电机，这是一种定转子之间通过电磁感应作用，在闭合的转子回路内产生感应电流以实现机电能量转换的装置。如图2-3所示，交流感应电机主要由定子、转子及基座3部分组成。定子由定子铁芯和定子绕组构成，定子铁芯是电机磁路的一部分，通常用薄硅钢片冲叠而成，以减小磁滞及涡流损耗。在定子铁芯的内圆均匀地冲有很多形状相同的齿槽，用以嵌入三相定子绕组。转子由转子铁芯、转子绕组及转轴构成。转子铁芯也是电机磁路的一部分，同样由薄硅钢片冲叠而成，固定在转轴或者转子支架上。转子绕组可以分为绕线型和鼠笼型。其中具有鼠笼型转子绕组的交流感应电机结构简单，制造方便，经济耐用，目前应用极广。图2-3 三相交流感应电机结构图
交流感应电机的主要运行原理如下：定子三相绕组通入三相相位互差120°的三相交流电，产生在空间旋转的定子磁场，转子切割定子旋转磁场，在闭合转子回路中产生感应电势及感应电流，转子导条受到安培力的作用使得转子跟随定子旋转磁场的方向旋转，如图2-4所示。图2-4 交流感应电机中电磁转矩的产生
交流感应电机发展至今，调速方法很多，包括变压、变频、变极及绕线型交流感应电机转子回路串电阻等方法。随着电力电子技术及电机控制技术的发展，具有良好动静态性能的变频控制方案成为交流感应电机控制的主流，其中以直接转矩控制和转子磁场定向控制方案最具特色。本书第8章将对转子磁场定向控制方案进行详细介绍。
2.同步电机
由图2-1可知，同步电机主要包括转子永磁式电机、转子绕线式电机及同步磁阻电机。其中在中小功率领域转子永磁式电机应用最广泛。转子永磁式电机主要包括无刷直流电机（BLDCM）和永磁同步电机（PMSM），这两者的主要区别在于旋转时转子永磁体磁场在定子绕组中产生的反电动势波形。BLDCM的反电动势为梯形波，PMSM的反电动势则为正弦波。BLDCM多采用集中式定子绕组结构，而PMSM多采用分布式定子绕组结构。BLDCM由于在六步换相的方波控制下其机械特性和有刷直流电机类似，故被称为无刷直流电机并沿用至今。然而，实际应用中BLDCM和PMSM的界限并没有那么明确，比如，有些BLDCM的反电动势介于梯形波和正弦波之间，也可以采用PMSM的控制方法来控制。
永磁同步电机由定子、转子及基座构成。定子结构与交流感应电机一致。转子由稀土永磁材料永磁体及硅钢片组成。根据永磁体的安装方式其还可细分为内嵌式和表贴式永磁同步电机。由于永磁体材料的磁导率和空气接近，对于表贴式永磁同步电机，可以认为等效气隙宽度不随转子位置变化而变化，故其交直轴电感相等，没有磁阻转矩。内嵌式永磁同步电机的等效气隙宽度与转子位置相关，交直轴电感不相等，可以产生磁阻转矩。
与电励磁同步电机及感应电机相比，因为不需要励磁电流，永磁同步电机具有损耗少、效率高、功率密度大等优点，在中小功率领域特别是家电领域应用广泛。目前其广泛使用的高性能控制方案主要是直接转矩控制和转子磁场定向控制（矢量控制）。本书第5章将对转子磁场定向控制方案进行详细介绍。
无刷直流电机的控制主要是通过逆变器功率器件的开关状态随着转子位置的不同做出相应的改变来实现的，也称为六步换相控制（本书第6章将对其进行详细介绍）。与转子磁场定向控制相比，这种控制简单，但是存在转矩脉动大等缺点，适合一些对转矩脉动及运行噪声不太敏感的应用场合，如电动工具、无人机电调、风机和水泵等。
3.同步磁阻电机
同步磁阻电机是在PMSM的基础上将转子永磁体去掉，通过改变转子结构（如转子铁芯内部开槽）大幅度增加交直轴电感之间的差异，即增加凸极率。其定子结构与PMSM或交流感应电机类似。同步磁阻电机的电磁转矩完全由磁阻转矩组成，其控制方法与PMSM的相似，但一般需要使用最大转矩电流比（MTPA）算法来确定给定电磁转矩对应的气隙磁链参考或交直轴电流参考。
4.步进电机
步进电机结合了变磁阻电机和永磁电机的结构优势，在变磁阻结构的基础上，融入了永磁体。得益于其较简易的多极对数机械结构、高效率和高功率密度，其在制造材料成本和效率方面具有优势。步进电机主要分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。
反应式步进电机的定子与集中式绕组的同步电机类似，转子用软磁材料制成。其特点是结构简单、成本低、步距角小（可达1.2°），但动态性能差、效率低、发热大、可靠性难保证。
永磁式步进电机的定子与集中式绕组的同步电机类似，转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大、但这种电机精度差、步距角大（一般为7.5°或15°）。
混合式步进电机结合了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，其定子也类似于集中式绕组的同步电机，转子具有混合式结构，由一个永磁体分为两段，一段是N极，另一段是S极，每一段都分为多个小磁极，且两段之间的小磁极相互错开半个极距角。混合式步进电机具有双凸极、多极对数的结构特点，这虽然限制了其高速运行时的力矩，却带来了低速稳定运行、定位精准的优势。图2-5所示为一种广泛应用的两相混合式步进电机结构图，该电机有50对极对数，即步距角达1.8°。图2-5 两相混合式步进电机结构图2.2常见电力电子变换拓扑
电力电子变换电路包括整流电路、逆变电路、直流-直流（DC/DC）变换电路、交流-交流（AC/AC）变换电路。
整流电路是电力电子变换电路中最早出现的一种，其作用是将交流电转换为直流电提供给直流用电设备使用。整流电路的应用非常广泛。整流电路可以按照组成的器件、电路结构、交流输入相数等进行分类，本书主要通过控制方式来对各种电路拓扑进行介绍。
DC/DC变换电路可将一种直流电转换为另一种直流电，包括直接直流变换电路和间接直流变换电路。直接直流变换电路也称为斩波电路。
PWM控制是对脉冲的宽度进行调制的技术。该技术通过将电能（电压或电流）“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的宽度（占空比）来获取所需的电能。PWM控制的理论依据是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
软开关技术是相对于硬开关技术而言的。在功率器件实际的开通和关断过程中，电压和电流均不为零，因而会出现交叠部分，也就存在功率损耗，同时会有开关噪声，这样的开关过程称为硬开关。而软开关指的是通过谐振电路的引入，在功率器件开通前将电压先降至零或者在关断前将电流先降至零，如此就可以消除开关过程中电压和电流的交叠，减少开关损耗。2.2.1 整流电路
1.半波整流电路
图2-6（a）所示为半波整流电路，由于二极管是不控器件，且具有单向导通性，因此，在输出负载上，电压的波形仅为正半波，如图2-6（b）所示。图2-6 半波整流电路
2.全波整流电路14
图2-7（a）所示为全波整流电路。可以看到二极管D～D形成整14流桥，当电压为正半周时，导通路径通过D、D两个二极管；当电23压为负半周时，导通路径通过D、D两个二极管；因此，其输出电压的波形如图2-7（b）所示。图2-7 全波整流电路
3.无源功率因数校正变换器
根据是否含有有源功率器件，功率因数校正变换器可分为有源功率因数校正变换器和无源功率因数校正变换器两大类。
典型无源功率因数校正变换器的电路拓扑如图2-8（a）所示，该方案是在整流桥和输出电容器之间放置一个滤波电感，用于对电流进行滤波。而在实际的应用中，会有一些改进，将滤波电感放置在交流电源和整流桥之间，如图2-8（b）所示。改进后的无源功率因数校正变换器可以防止电流直流分量引起的电感饱和。无源功率因数校正变换器电路拓扑的优点如下：简单可靠，无须进行实时控制，成本低廉。此外，该拓扑电路可以通过抑制奇次谐波来将当前的总谐波失真含量（Total Harmonic Distortion，THD）限制在30%以下。THD的大小与电感的设计息息相关，电感的感量越大，THD越小，输入电压与输入电流的相位差越大；反之，THD越大，输入电压与输入电流的相位差越小。图2-8 无源功率因数校正变换器的电路拓扑
无源功率因数校正变换器电路拓扑的缺点也比较明显：被动元件通常大而重，功率因数也较低；因为功率因数低导致无功含量较高，因而工作中，功率损耗较为严重，产生大量的热量，对系统散热有更多的要求；同时谐波含量高，会导致振动噪声，因而该拓扑电路适用于功率较小、对放置的空间大小无特殊要求、对成本较为敏感的场合。
4.有源功率因数校正变换器
图2-9所示为一种典型有源功率因数校正变换器电路拓扑。有源功率因数校正变换器具有输入电流为正弦波、总谐波含量低、功率因数高等特点，可以从源头上解决电网污染问题（详见本书第10章的内容）。可以看出，有源功率因数校正变换器电路拓扑是在图2-8的基础上增加了有源全控功率开关器件，使得控制相对复杂，成本较高。图2-9 典型有源功率因数校正变换器电路拓扑
5.无桥有源功率因数校正变换器
从图2-9中可以看出，传统的有源功率因数校正变换器电路拓扑中，无论输入电压为正半周期还是负半周期，导通回路中都有整流桥中两个二极管的导通压降，并且在全控功率开关器件关断的续流阶段，除了两个整流二极管的压降以外，还有前向续流二极管的导通压降带来的损耗，因而限制了系统的效率，特别是在低压大电流时，二极管上的导通损耗在系统输出总功率中的比重增大，损耗将变得不可忽略。在这种情况下，出现了无桥有源功率因数校正变换器。无桥有14源功率因数校正变换器通过消除整流桥D～D来减小系统的功率损耗。
图2-10所示为一种典型的无桥有源功率因数校正变换器电路拓扑。无桥有源功率因数校正变换器的电路拓扑虽然能够减少导通路径
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