研發更可靠、高效且具成本競爭力的消費產品，是行業永無止境的追求。盡管所有設計維度都在不斷進步，但最引人注目的或許是微控制器（MCU）。從早期的 TI 1000，到最新一代實時微控制器，它已然成為應對當今競爭激烈、成本敏感型消費市場的核心焦點。

工程師的核心任務始終是用最少的資源實現最優效果，且盡可能兼顧經濟性。早期設計大多專注于通過電路增加功能，例如在 MCU 與電機之間接入單任務、專用電路。

這類電路雖能增添功能，卻也會引入附帶問題（如同步偏差、寄生參數、雜散信號），同時推高額外成本。因此，設計師開始探索用集成電子設備（尤其是 MCU）替代這種分散式設計。

回顧過去

簡要回顧首款 MCU 之一 ——TI 1000。這款芯片集成了三大基礎電路：隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）和時鐘電路。

參考圖1，可以看出外部電機控制設備或電路連接到I/O端口（K，O），每個端口都是一個單獨的特定功能電路或設備。在這里，MCU只是通過端口接收信號并將其發送到外圍控制電路。

圖2a顯示了能夠進行磁場定向控制（FOC）的現代MCU的示意圖。圖2b是具有電機控制專用電路的相同實際電路。

聚焦當下

現代 MCU 已演變為復雜的多功能設備，內置大量功能模塊、組件和電路。它成為統一的環境控制器，將外圍設備控制功能從獨立電路直接整合至 MCU（見圖 3）。這些集成電路包括可編程增益放大器、高速模數 / 數模轉換器（ADC/DAC）、比較器、無線射頻模塊、定時器與計數器、外圍接口控制器（PIC）等。

這創建了一個有凝聚力的處理框架，消除了單個模塊或電路互連附帶的大部分（如果不是全部）接口噪聲和寄生效應。

消費類電動工具市場從集成 MCU 方法中獲得了許多好處。如前所述，這個市場對成本很敏感。因此，將控制整合到 MCU，消除許多外圍組件的成本，是主要驅動因素。其他好處來自提高性能。現代 MCU 控制的工具和設備運行更可靠、更耐用且故障率更低。

磁場定向控制：核心賦能技術

電機控制領域最具價值的突破或許來自磁場定向控制FOC（又稱矢量控制）。磁場定向控制不僅簡化了電機設計，更在運行層面帶來一系列優化。

例如，FOC通過校準定子與轉子的磁場方向優化扭矩輸出，具備多重優勢：首先，無需通過獨立電路提供大電流和高扭矩，減少扭矩脈動，提升運行平穩性。

磁場校準還能帶來其他益處：

• 由于定子和轉子對準，扭矩傳遞更好。

• 由于磁性不對中會產生扭矩紋波，從而導致振動和噪音，因此實現了振動和噪音的降低。

• 由于未對齊的場地會浪費能源，因此熱量產生更低。這以熱量的形式消散。

• 對齊場可提高功率因數，減少電網的無功功率需求。

• 減少加熱;延長絕緣和軸承壽命。

• 對準使輸出平滑，使電機更安靜、更穩定。

FOC 的另一個好處是它能夠調節定子繞組中的電流，磁場定向控制可減少反電動勢 （EMF），這是噪聲和振動的原因。它使電機性能更加柔和，磨損更少。這對于消費類電動工具和電器來說是一個特別重要的好處。

此外，使用 FOC，可以實施一種稱為場弱化的技術。這是通過控制電流來降低有效轉子磁場的地方，使電機能夠在不犧牲扭矩的情況下以更高的速度運行。該技術在必須最大限度地減少噪音和振動的應用中特別有用。

實際應用

FOC在大型家用電器和暖通空調（HVAC）系統中展現出顯著價值。暖通空調系統的電機功率強勁，運行時（尤其是啟停過渡階段）噪聲和振動明顯，且作為大功率系統，多余的寄生干擾極易被感知。

對這類系統而言，FOC電機方案堪稱理想選擇。它通過分別管理扭矩和磁通量來調節無刷暖通空調電機，將交流電機定子電流的兩個分量（扭矩分量和磁通量分量）從三相靜止坐標系轉換至兩軸旋轉坐標系，實現獨立控制。這一過程同時能通過校準定子與轉子磁場提升扭矩，減少電流沖擊。

洗衣機等大型家電如今已成為功能復雜、具備多種運行模式的高科技設備，例如支持多轉速調節、多洗滌階段和專用護理程序。這些功能要求電機在多種狀態下運行，易產生非線性應力，可能導致突發負載失衡。開環啟動和多循環運行模式要求電機按程序啟停、運行，或對故障狀態做出響應。

這類設備還需有效控制振動，而通過軟件驅動的無傳感器電機控制可經濟高效地實現這一目標。最終實現運行更平穩、噪聲更低、設計復雜度降低且可靠性更高的效果。