电机本身在我们的家里无处不在，比如汽车里面有电机，那家里厨房里面有很多的，包括排油烟机等等都有电机。电机的结构包含定子跟转子，转子带动负载进行转动。常见的电机包括单相电机和三相电机。三相电机的励磁电流通过逆变器驱动。定子线圈的激励通过软件实现控制，软件通常基于微处理器（MPU）或微控制器（MCU）来设计。鉴于在电机驱动领域需要将硬件和软件搭配使用，要实现软件的设计，就需要有一套软件设计套件。
前不久，Power Integrated（PI）公司针对其适合电机驱动的新产品发布了新的软件MotorXpert 3.0。该公司资深技术培训经理阎金光（Jason Yan）对这款软件进行了详细解读。
据介绍，MotorXpert现在已经迭代到3.0版本，专门用于产生电机驱动的设计软件。MotorXpert用于配合BridgeSwitch IC产品工作。BridgeSwitch是一个半桥电路，在三相电机中，三个BridgeSwitch分别用于驱动电机定子的三个绕组，驱动信号就来自于MotorXpert软件。
阎金光认为，大学中专门设置电机系，是因为电机控制涉及一套软硬结合的系统，要求设计人员既懂硬件也懂软件。PI推出MotorXpert 3.0就是为了帮助只懂硬件不懂软件或只懂软件不懂硬件的工程师搭起一座桥梁，方便他们进行电机调试。
大家知道，无刷直流电机是PI主推的一个市场。直流电机在家电当中包括洗衣机，烘干机、冰箱或电磁灶等产品中广泛用到。
无刷直流电机的使用在持续增长。工业市场有一个节能指令，就是欧盟计划到2035年节省200亿美元的能耗。目前市场上大概有50%到60%以上的能源都是被电机消耗。欧盟希望能够节省更多的能耗，例如要求洗碗机等必须增加30%的效率。
欧盟另外一个要求是ERP，它要求从今年开始，家电设备的待机功耗必须小于300毫瓦。在PI的第一代BridgeSwitch产品中并没有特别关注电机待机功耗；在第二代产品中则可以把三相电机整体的待机功耗做到10毫瓦以下。这样工程师在设计电机系统的时候就不用考虑电机本身对待机功耗的影响。
此外，印度次大陆的天气非常炎热，由于印度不像中国已实现空调的普及，他们家里还有很多的吊扇。目前很多印度家庭还在采用单相感应电机，智能化不高，本身能耗也比较高，效率比较低下。
无刷直流电机由于没有电刷，可增加效率，降低电磁干扰，甚至降低转动的噪声。这跟电机运转的效率及其控制软件有关。
最后，消费者都希望自己的设备有很好的用户体验。这在家电当中（比如排油烟机）表现为需要更加安静。还有就是暖通空调（HVAC）的气流能够得到精确、顺滑的控制，这也需要对无刷电机实现软件控制。更低的家电宕机时间则意味着家电（比如洗衣机）在出现故障时不会耽误用户使用。如果能在家电中电机发生故障前就对其寿命实现预估或测试，给出维护或更换提醒，那么就可以避免出现家电突然失效的情况。
这在MotorXpert软件当中就能很好地实现。通过电机旋转产生的磁场分布可确定定子和转子的相对位置，然后确定电机是否在轻微晃动，或者出现控制失效等等。可以通过这样的信号检测来预估电机的使用寿命，从而减少家电宕机时间。“目前在市场上还没有类似的功能出现，这是我们推出的一个新的设计理念。”阎金光说。
如下图所示，其中的驱动板用来驱动单相或三相电机的一个或三个BridgeSwitch半桥电路。这款软件是基于PC机的。MotorXpert 3设计软件用于实现一个接口，与接口板对接。接口板可以用来向逆变器传输信号，这些信号包括三相半桥当中两个开关管（即一个半桥电路）的驱动信号，用于驱动两个管子中间的电机绕阻。同时还要检测每个绕组当中的电流，包括大小和方向，然后把信号传输到软件当中。最终驱动信号是来自于MCU的，因此在软件开发阶段是使用PC机来驱动逆变器工作，最终在软件完成之后，再把它移植到MCU当中。
在MotorXpert 3软件当中包含直观的逻辑图形，用户界面非常简单，可以手动的输入参数调整，检查电机的运行状态。
该软件当中集成了一个运行示波仪或虚拟示波器，可用于观察电机当中的各项运行参数，包括电流波形、电机工作阶段等。“在这些工作阶段当中调整起来是比较麻烦的，如果你不是一个专业的电机设计工程师，你只懂硬件是很难调整好的，这也是我们推出该软件设计套件的主要原因。”阎金光指出。
PI产品的一个主要优势就是易于使用，这就需要开发简单易用的工具来方便那些经验不足的工程师开发自己的产品，从而降低电机工程师研发的工作量，加快研发速度。
MotorXpert 3中包含两个模式：缺省（普通）模式和Xpert（专家）模式。缺省模式用于帮助初学者调整电机参数，让电机运转得更加可靠安全。这时，只需要了解系统的四五项参数，调好即可。专家模式则可以实现精细的定制化性能要求。
软件代码由电脑产生之后，可以在不同的MCU之间进行移植的，无论它所产自的厂家、品类和成本如何。
MotorXpert 3工具当中还提供有在线提示窗口，从而方便在线操作。“我们之所以把这套软件放到电脑里边，它的目的是要产生一套MCU可以使用的代码。”阎金光说，“具体在批量生产当中，我们一般发货的客户端使用的是MCU，加上逆变器和电机来作为它的终端产品。”因此，MotorXpert是一套方便工程师调试电机的软件，直观的界面意味着更短的软件熟悉时间。MotorXpert右边是用户图形界面，左边则是导览栏，按照电机的调试顺序进行规划，比如可以调整电机启动期间不同的工作阶段，phasing就是指不同的电机启动阶段，然后还有一种电流重构功能用来节省外部的电流检测电阻和相应的运算放大器等电路。“这是PI的BridgeSwitch独有的一个特点。我们利用MOS管的内部电阻来实现电流检测，从而不需要外部的电流检测电阻，这可以帮助改善效率，降低设计的线路复杂度。”阎金光强调。
还有一些控制，如闭环控制、速度控制、电流控制等等，都是按照系统的设置进行。Vector Estimation即向量预估，这也是具体的控制方式。然后还有Protection保护措施。
其控制面板看起来非常简单，左边就是显示电机速度，右边是显示每一相的电流，包括目标电流和目标速度分别是多少。最下面有一个状态栏，用于显示电机的工作状态，包括是否处于保护状态，过流还是过压等等。
界面中还会显示是处于Xpert模式还是普通模式，并会显示传感器的检测方式。相电流检测有不同的检测方式，有感和无感，包括定子转子位置的检测方式，就是用霍尔传感器还是用反向电动势（BEMF）实现检测等等。电机转速和相电流大小在上方图表和下方都会显示出来。
前面提到的运行示波器（Motion Scope）作为一种虚拟示波器，可以抓取实时的工作波形。此外，还可以抓一些具体事件，比如过温保护，过压保护、过流保护等等。具体的事件会连续记录下来，方便后续查看，包括状态的切换，动态/稳态的响应。
具体的调试信息可以在右边进行调整，更加方便工程师来做这种电机的调试。如果希望导出详细的操作情况，可以导出.csv格式的文件，这种EXCEL文件可以方便后续进行检测。
电机在操作期间的难点就是启动，需要在启动之前做一些具体配置。PI可以协助工程师完成每个工作阶段的调试，包括电机的配置，启动的调试，还有闭环的调试。
设计阶段以后就是电机的配置，要根据不同电机型号进行调整。总体来说，如果电机选好之后，就要把电机的具体参数输入到软件当中。当然，这里也会选择PI的器件，根据功率大小来选择不同大小的器件，包括是三相电机还是单相电机，然后旋转方向是顺时针旋转，还是逆时针旋转。至于控制方式，是用FOC控制还是六步控制，这是电机具体的控制算法。阎金光说，包括PWM频率等所有参数都必须要提前录入，从而相应地将这些参数镶嵌到软件当中，因为这是根据具体硬件实现的。然后涉及到启动的调试，这个过程就比较难，因为电机在没有转动之前，它的转子相对于定子的位置是随机的。上一次断电之后转子靠着它的惯性，最后停在某个不确定的位置。下次启动的时候，就涉及不同的启动阶段，也就有不同的控制方法。
启动阶段有不同的控制方式，包括电压控制、电流控制等。启动调试属于开环控制。在获得电机参数后，还需要进行闭环控制调试，根据具体的应用场景实现固定的转速、扭矩或位置。在MotorXpert上可根据不同的状态做出相应的参数设定。在不同工作阶段，尤其在启动阶段，可通过状态示波器查看启动过程，包括UVW 3相的电流。在启动期间，启动电流较大，最终电流将会减小。电机在启动之前，由于转子惯性存在，启动电流较大。
闭环调试分为两类：速度控制和电流（扭矩）控制。这其中涉及比例积分（PI）控制和速度/电流上限等参数。
一旦电机运行起来之后，还可以用运行示波器来看电机运行状况，比如开环期间电流变化的大小，闭环期间每个波形是不是正常的正弦波等等。如果波形出现畸变，则会损伤系统的效率。同时，电机的噪声也会相应地增大。
MotorXpert 3.0支持PI的所有产品，其中包括两代产品：BridgeSwitch和BridgeSwitch 2。第二代产品相对于第一代产品支持一些关键特性，包括电流监测、无感相电流检测、故障报告和睡眠模式。第二代的睡眠模式是第一代所没有的，它可以把整个三相电机的功耗降到十毫瓦以下。如果电机经常接在直流母线端，没有睡眠模式的话，比如市场常见的IPM模块，其中集成了六个开关，没有那么智能化，它的驱动电路就会产生一定的功耗，所以很难使整体设备满足300毫瓦的待机功耗要求，阎金光指出。一旦BridgeSwitch有了这种睡眠模式之后，就可以把300毫瓦的额度降得更低，从而为设计的其他地方留出足够的裕度。
该软件可根据不同型号的产品自动选择相应的器件，这就涉及到故障报告的方式，这也是第二代产品才有的。故障报告分为EF引脚和Fault故障引脚两种方式，分别针对不同客户使用。有些客户只希望用EF引脚来做简单报告。EF方式也就是通过硬件方式来关断逆变器。Fault方式则是把这个故障信号发给MCU，由MCU来把软件切断，从而实现故障保护。换句话说，EF方式下MCU没有那么大的负担，而Fault方式则可以做得更加精确，通过MCU来保护整体系统。这两种不同的报告方式对应两个不同的产品型号，一旦选定了某个产品型号，它就会支持相应的故障报告功能。电流反馈方式则有专门的IPH增益调整引脚，通过所接电阻产生的压降来检测相电流的大小。这跟传统的相电流检测方式不一样，传统的相电流检测方式是通过一个外部的电流检测电阻，再加上放大、滤波、电平移动等来实现给MCU提供这个电流信息。PI的这个独有特点在第一代第二代产品上都有，就是通过内部的MOSFET把电流检测出来。然后只要检测绕组上外置电阻上的电压即可。节能特性，也就是前面所讲的睡眠模式。
PI MotorXpert支持BridgeSwitch 2的所有特性，提供了一站式的逆变器解决方案。不但可加速产品的上市时间，睡眠模式还可以轻松满足欧盟ERP的待机要求。可靠性和故障性预警都可以通过软件方式检测出来，相对于IPM模块来讲变得更加智能。其故障报告功能甚至包括某一时间是在哪个位置损坏。在散热设计方面，鉴于PI在功率器件方面的专长，产品设计不需要使用散热片，只需要利用PCB板进行散热即可。元件数目的高集成度对于逆变器设计也是一个关键。逆变器本身有时要放到电机外壳当中，由于空间是密闭的，PCB板面积很小，这时就需要效率做得足够高，这跟高压功率开关FREDFET的采用相关。具体要实现精确的控制，所有这些都是通过MotorXpert软件套件来进行调试的。调试好了之后，其实电机运转性能的好坏取决于软件的控制方式，到底在什么情况下让它进行换相电流的切换？
MotorXpert的特点是简化了电机设计，提高了效率，降低了空载功耗。它最大的输出功率可以做到一马力，即746瓦左右。具体的应用包括冰箱的压缩机、HVAC暖通空调、洗碗机、油烟机、热泵、循环泵，吊扇，滚筒洗衣机、研磨机和搅拌机，常用的家电设备都涵盖在这个功率范围之内。
然后，MotorXpert的整体方案既支持三相电机也支持单相电机，这目前在国内还不多了。从成本角度来看，单相电机比三相电机绕组数目要少，所以在电机成本和体积方面都有优势。然而，单相电机相对于三相电机噪声可能会稍微高一点，但在综合考虑性能和成本之后，单相电机无疑是一个很好的发展方向。
然后，基于硬件的保护大大加快了产品的上市时间。虽然在故障情况下可以依赖软件来进行保护，在软件得到了故障信息之后切断它的驱动信号，让逆变器停止工作，使电机停转，但这种软件的保护会增加软件的时间资源，阎金光指出。任何MCU都需要不停地访问故障母线有没有故障信号过来。这样软件就需要建立具体的循环，从而增加MCU的负担。从成本角度来看，如果有硬件就可以实现保护了，不需要依赖于MCU的时候，MCU可以用更便宜的，或者MCU可以将精力花在更多的其他控制策略上面。IPH引脚可以更加简单精确地检测电流信息，节省外部的电流检测电阻和相应的滤波放大电路等等成本，并降低PCB板的占板空间。
此外，封装方面则采用InSOP-28C大功率封装，该封装下方设有漏裸铜，可通过回流焊焊接到PCB板来进行散热。
综上所述，PI的新版MotorXpert软件可以极大发挥其新一代BrideSwitch产品的特点和优势，简化无刷直流电机的调试工作量，同时对于电机没有太多调试经验和软件开发能力的初学者也能够快速“入门”。相信这一强大的设计支持工具定会受到市场的广泛接受。
