電機/發電機/電磁拖動很難說清。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問題，IGBT/GTO/SCR/TRIAC/Darlington/BJT的復雜性因MOSFET/CoolMOS/GaN/SiC的出現被簡化。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，梳理電機和電調的簡單脈絡。

圖1 內在結構差異分類和控制復雜性

除了少數相互作用的對側都主動出力的情況，所有拖動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（磁扼）完全相對與否作為第2維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維于這種分類無關，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。電控都完整地包括從運動控制到功率開關的所有層級，差異只是其復雜性和如何分割。

圖2 電控部分包括的功能層級

電磁拖動應用電路還有調壓和驅動換向。把這兩部分和圖中電調、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。

一.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。

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產生非線性影響，都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.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起到開關驅動層則同時涉及3個不同層次的開關控制；一個（A）是控制給電機的電壓或電流的控制，一個（B）是根據線圈位置改換驅動連接的開關控制，以及一個（C）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（包括電流淬滅）的過程，每個上沖和下沖還有根據調速/調相/調扭矩要求決定在一定序列持續時間內中轉入飛輪/快衰落（渦流減速）/主動剎車（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、整步拖入和整步脫出，以及保護預案的保護脫出、失步運行（瘸行）和再整（嘗試恢復）。

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，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的二次擊穿風險需要以要求的式樣驅動，對所由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。

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/傳感器可能使用，需要不同的激勵/讀出電路。

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。一個例子是在減低輸出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。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，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由驅動設計不良產生真相。是把勵磁電感電流回送到電源的過程還是把跟慣性儲能有關的電動勢送回到電源的過程是兩個伴隨的獨立過程，并常常被混淆。

二.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輸出同時輸出低，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。過載時EN\FAULT被SGM42507強行下拉產生告警輸出。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。

1.使能和休眠待機控制，以及其后對輸出狀態的控制
 

圖3 SGM42507利用EN\FAULT和PH組合控制的驅動波形

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。

圖4 SGM42507驅動直流電機靜止-堵轉-運轉-靜止-堵轉-換向

圖5 SGM42507驅動直流電機渦流制動過程

圖6 SGM42507驅動-飛輪滑行-驅動及與驅動-渦流剎車的波形對照

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。

圖7 SGM42507對直流電機單臂PWM調速驅動

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，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。

圖8 SGM42507雙臂PWM調速或磁指針偏轉控制

圖9 SGM42507雙臂PWM輸出時電機電感電流及其淬滅（快衰落）

3.電磁鐵/電磁閥驅動

圖10 SGM42507單臂開關方式驅動電磁鐵

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，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。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。

圖11 SGM42507驅動帶有移動反饋繞組電磁鐵示意

圖12 SGM42507用于雙繞組電機驅動示意

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。包括步進電機、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。

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