以绿色能源为动力核心正在逐渐成为越来越多科技产品的目标。半数以上电机采用都是电力驱动，所以电机对电能的使用和转化率觉得了对电能的消耗，设计人员必须寻找一种方式来使电机达到最高效的电力利用。
电动机的作用就是把电能转换成为机械能，而效率则是指产生的机械能与所用的电能之比。电机的振动、发热、噪声和谐波属于各种形式的损耗，要实现高效率，就应减少这些能耗。那么有哪些设计技巧可供设计人员使用，以帮助他们实现高效率呢?
本文将介绍综合运用磁场定向控制(FOC)算法和脉冲频率调制(PFM)严密地控制电机，实现高精度与高效率。
FOC
标量控制(或者常称的电压/频率控制)是一种简单的控制方法，通过改变供电电源(电压)和提供给定子的频率来改变电机的扭矩和转速。这种方法相当简单，甚至用8/16位微处理器也能完成设计。不过，简便的设计也伴随着最大的缺陷——缺乏稳健可靠的控制。如果负载在高转速下保持恒定，这种控制方法倒是足够。但一旦负载发生变化，系统就不能快速响应，从而导致能量损失。
相比而言，FOC能够提供严格的电机控制。这种方法旨在让定子电流和磁场保持正交状态(即成90度角)，以实现最大扭矩。由于系统获得的磁场相关信息是恒定的(不论是从编码器获得，还是在无传感器工作状态下的估算)，它可以精确地控制定子电流，以实现最大机械扭矩。
一般来说FOC比较复杂，需要32位处理器和硬件加速功能。原因在于这种方法需要几个计算密集型模块，比如克拉克变换、帕克变换等，用于完成三维或二维坐标系间的相互转换，以抽取电流相对磁通的关系信息。
如图1所示，控制电机所需考虑的输入包括目标扭矩指令、供电电流和转子角。根据这些参数完成转换和计算，计算出电力电子的新驱动值。完成一个周期的FOC所需的时间被称为环路时间。不出所料，环路时间越短，系统的响应速度就越快。响应速度快的系统意味着电机能够迅速针对负载做出调整，在更短的时间周期内完成误差补偿，从而实现更加顺畅的电机运行和更高的效率。
图1：磁场定向控制可以严密地控制电机扭矩，提高效率。环路时间越短，系统响应速度越快。
一般采用嵌入式处理器实现FOC算法，环路时间介于50us到100us之间，具体取决于模型和可用的硬件。此外，还可采用软件来实现FOC，但无法保证其确定性。因此大量设计借助FPGA硬件加速，来发挥这种技术的确定性和高速处理优势。使用最先进的28nm FPGA技术，典型FOC电流环路时间为1.6us1，相对采用软件方法明显缩短。
由于加强电机控制不仅可降低噪声，而且还能提升效率和精度，因此目前大部分电流环路都采用硬件来实现，而且倾向于把速度环路和位置环路也迁移到硬件实现方案中。这种做法是可能的，因为随着数字电子电路技术的进步，单个器件拥有足够强大的运算能力。用FPGA实现的速度控制环路时间和位置控制环路时间分别为3.6us1和18us1。与传统软件方法相比这是显著的性能提升，因为传统的位置环路时间一般在毫秒级。
