在構建機器人、無人機或任何機電項目時，一個關鍵問題是：
哪種電機和哪種控制器適合你的項目？

電機控制簡介

當我們談論構建任何會運動的東西——從一個小型機器人手臂到一輛自動化車輛——我們實際上是在談論電機控制。

電機是任何機電系統的肌肉，將電能轉換為運動。但就像肌肉一樣，它們需要大腦和神經才能正常工作，這正是控制器和驅動器發揮作用的地方。

把電機控制看作一個由多層組成的系統，就像一顆洋蔥。

分層電機控制架構

電機（執行器）：
最核心的是電機——將電能轉換為旋轉或直線運動的執行器。

電機驅動器（功率級）：
圍繞在其外的是電機驅動器，它接收低功率控制信號，并將其轉換為電機所需的更高電壓和電流?？梢园阉醋饕粋€放大器，負責功率電子和開關。

電機控制器（控制邏輯）：
再往上一層是電機控制器，它解釋諸如“以 200 RPM 旋轉”或“順時針旋轉 90°”這樣的命令，并生成驅動器能夠理解的 PWM 波形或換相信號。它通常實現控制回路（用于力矩、速度或位置）以及傳感器處理（例如霍爾傳感器、編碼器、電流檢測）。

系統控制器（應用大腦）：
最上層是系統控制器——你的 Arduino、Raspberry Pi 或嵌入式 CPU——負責協調運動邏輯、路徑規劃、安全性以及與系統其余部分的通信。

為什么這種模塊化設計很重要

這種分離提高了靈活性、可靠性和可擴展性。系統控制器不需要承擔快速、高電流的開關任務。電機驅動器不需要理解高層目標。電機控制器在中間架起橋梁，確保精確而高效的運動。當每一層專注于自己的角色時，你就能獲得更清晰的設計、更容易的調試以及更好的性能。

電執行器：多種形式的運動

在機器人和自動化領域，大多數執行器都是電動的——它們將電能轉換為運動，通常分為兩類：

旋轉執行器：
有刷直流電機、無刷直流（BLDC）電機、步進電機和伺服電機。它們在產生旋轉的方式、換相方式以及我們能夠多精確地控制其力矩 / 位置 / 速度方面各不相同。

直線執行器：
將旋轉轉換為直線運動的機構（例如絲杠、滾珠絲杠、皮帶傳動以及集成式直線執行器），用于提升、推動和滑動。

在這些類型中，相同的核心關系始終成立：

· 速度主要是施加電壓的函數（受到反電動勢的抵消）。

· 力矩主要是電流的函數（通過電機的力矩常數）。

· 控制質量取決于我們調節電壓和電流的智能程度，通常借助反饋實現。

開環控制與閉環控制

開環控制假設電機會按指令響應。例如，我們設置一個 PWM 占空比，并期望獲得成比例的速度。這種簡單性在負載可預測或允許丟步 / 速度變化的場景中是足夠的——例如風扇或在裕量下運行的輕載步進電機。

閉環控制測量電機實際做了什么（通過編碼器、霍爾傳感器或電流 / 電壓反饋），并實時修正誤差。這使得在負載變化、電源波動或摩擦存在的情況下，仍能實現精確的力矩、速度和位置調節。例子包括帶有電流和速度環的 BLDC 磁場定向控制（FOC），或帶有位置和速度環的伺服控制。

閉環控制引入反饋。系統測量電機實際的運行狀態——使用編碼器、霍爾傳感器、旋轉變壓器，或反電動勢 / 電流檢測——并調整指令以匹配目標速度、力矩或位置。這正是 BLDC 系統、伺服系統以及高精度應用在負載和電源條件變化下仍能實現精度和穩定性的原因。

無論是開環還是閉環，現代電機控制通常都遵循相同的分層結構：
控制器 → 驅動器 → 電機 → 反饋（可選）。

選擇合適的電機和驅動器

你的應用決定了電機類型：

· 有刷直流電機簡單、低成本、易于驅動——非常適合基礎運動和快速原型開發。

· BLDC 電機去除了機械電刷并使用電子換相，提供更高的效率、轉速能力和壽命。

· 步進電機以固定步距運動，具有出色的開環定位精度；常用于 3D 打印機、CNC 設備和相機滑軌。它們也可以通過編碼器實現閉環，以獲得更高的力矩利用率和可靠性。

· 伺服系統將電機、傳感器和控制器集成在一個單元中，實現即插即用的精密定位；“伺服”既可以指業余級 PWM 伺服，也可以指工業伺服驅動。

電機與驅動器的匹配

每種電機類型都對應其專用的驅動器和控制方式——從用于有刷直流電機的簡單半橋驅動器，到用于 BLDC 和步進應用的集成三相解決方案。選擇合適的組合意味著將電壓和電流額定值與電源和負載相匹配，選擇一種控制方式（開環、速度控制、力矩控制、位置控制），并對系統進行分層，使每個部分都高效地完成自己的任務。

現在，讓我們更深入地了解三大主要電機家族：DC、BLDC 和步進電機，并探討英飛凌的專用驅動器和控制器解決方案如何將這些層級整合在一起，實現實用、高效且可擴展的運動控制。

直流電機基礎與選擇合適的驅動器

直流電機是將電能轉換為運動的最直接方式。施加電壓，軸就會旋轉；反轉極性，它就會反向旋轉。它們如此有用的原因在于，我們可以輕松控制速度和方向——但前提是為其匹配合適的驅動器。

在選擇直流電機驅動器時，有三個電氣特性定義了這種匹配。第一是電機電壓，即電機所設計的供電電壓。驅動器必須能夠安全地承受這一電壓范圍，最好還留有一些余量。第二是平均電流，即電機在正常負載下消耗的電流。驅動器必須能夠在不發生過熱的情況下持續承載這一電流。最后是堵轉電流：當轉子被阻擋或在重載啟動時產生的大電流沖擊。驅動器必須能夠在短時間內承受這一電流，而不會關斷或燒毀。

一旦理解了這些限制，對電機的控制就變成了功率路由的問題。在每個直流電機驅動器內部，都有一個 H 橋——四個晶體管按字母 H 的形狀排列，電機作為橫梁。

通過閉合一對對角開關，電流沿一個方向流動，電機正轉；閉合另一對，則電機反轉。全部斷開，電機停止。有些驅動器甚至可以短時間短接兩端來對電機進行制動。

為了調節速度，我們使用脈寬調制（PWM）。與其降低電壓，不如快速地將電壓打開和關閉，并改變每個脈沖保持高電平的時間。短脈沖使電機保持較慢速度，長脈沖讓電機轉得更快。結果是平滑的速度控制和完整的力矩效率，非常適合用于機器人、風扇和精密執行器。

英飛凌的現代驅動器使用 MOSFET 而不是舊式的雙極型晶體管，這意味著更低的電壓損耗（0.1V 相比 0.7V）、更少的熱量以及更高的效率——這在電池供電系統中尤為重要。

大多數英飛凌驅動器將控制簡化為僅兩個信號：一個用于 PWM（速度），一個用于方向。有些還包括使能輸入或診斷引腳，但基本原理保持不變。

現在我們已經理解了如何將驅動器與電機匹配，接下來看看英飛凌的產品線如何覆蓋不同的電壓和電流水平。

TLE94112 – 多半橋驅動器

TLE94112 是一款多電機驅動器，集成了 12 個 MOSFET 半橋，可配置為獨立輸出、組合成完整的 H 橋，或并聯以獲得更高的電流。它支持 SPI 通信，并包含用于速度控制的內置 PWM 發生器，同時具備過流、開路、欠壓 / 過壓以及過熱關斷等標準保護和診斷功能。該器件的工作電壓范圍為 4 V 至 40 V，每個半橋可提供約 0.9 A 的連續電流，峰值可達 1.5 A，當通道并聯時可提供 3.6 A。這使其非常適合用于小型機器人或類似應用中的多電機控制系統。

平臺示例和 Hackster.io 項目

PSOC 6 示例
Raspberry Pi 示例
Arduino 示例

BTN7030 – 智能高電流半橋

BTN7030 是英飛凌 MOTIX? 系列中的一款高電流半橋驅動器，專為中等功率直流電機設計。它在 6 V 至 18 V 的標稱范圍內工作（擴展可達約 28 V），每通道可提供約 7 A 的連續電流。該器件支持最高 2 kHz 的 PWM 控制，并使用簡單的 PWM + 方向接口實現雙向電機控制。它還包括約 5% 精度的電流檢測輸出、關斷狀態診斷，以及針對過溫、過流和電壓瞬變的集成保護。這種組合為可靠的中等功率電機控制提供了緊湊而高效的解決方案。

BTN9970LV / BTN9990LV – NovalithIC+? 電機控制 Shield

采用 BTN9970LV 和 BTN9990LV 的電機控制 Shield 具有最小 60 A 的過流檢測能力，并可在最高 40 V 下工作。它結合了兩個智能半橋驅動器，可用于控制一個雙向直流電機或兩個獨立電機。這兩款器件采用相同的架構，集成了邏輯電平控制（IN/EN）、電流檢測和診斷輸出（IS1/IS2），以及用于高效低損耗運行的強健 MOSFET 功率級。它們包括針對過流、過溫和短路的內置保護，以及用于安全開關的有源箝位。該 Shield 支持 PWM 速度控制，并可直接連接到 Arduino Uno R3 等兼容板卡，使其能夠通過 Infineon motix-btn99x0 庫輕松集成到各種微控制器平臺中。

平臺示例和 Hackster.io 項目

無刷直流電機（BLDC）

與有刷直流電機不同，無刷直流（BLDC）電機僅施加電源并不會旋轉。它們需要一個電子控制器，以正確的順序協調三相定子繞組，生成旋轉磁場。每個繞組承載相位相差 120° 的電流，通過按正確順序給它們通電，控制器使轉子的永磁體跟隨磁場，從而產生旋轉。

為了獲得最大力矩，定子磁場保持在轉子磁場前方約 90°，這一技術稱為磁場定向控制（FOC）。維持這種相位關系需要來自轉子的反饋，通常來自霍爾傳感器或磁編碼器，以便控制器始終知道轉子的位置。這種反饋正是 BLDC 與有刷電機的區別所在：有刷電機可以開環運行，而 BLDC 依賴傳感器或無傳感反饋來實現平滑、高效的運行。

與有刷直流電機一樣，必須檢查電機與驅動器之間的功率匹配：電壓、連續電流和峰值（堵轉）電流都必須落在驅動器的限制范圍內。但 BLDC 系統更進一步。控制器不僅僅是一個功率放大器，它是一個完整的系統，結合了微控制器、柵極驅動器和 MOSFET 功率級。它處理換相、PWM 生成、電流檢測，以及通常還包括諸如 FOC 之類的高級算法。

在選擇 BLDC 解決方案時，應用場景決定了控制類型：

· 位置控制（閉環 FOC，帶編碼器反饋）： 用于機器人、云臺和精密系統。

· 速度控制（基于霍爾傳感器的開環或閉環）： 用于泵、風扇和通用運動。

· 力矩控制（基于電流的 FOC）： 用于需要精確力反饋或平滑加速的系統。

英飛凌的 BLDC 產品線覆蓋了所有這些需求，從緊湊型半橋 IC 到完整的三相集成電機控制 Shield。

IFX007T：用于自定義 FOC 系統的半橋驅動器

IFX007T 是一款智能高電流半橋驅動器，典型參數可達 40 V 和 55 A。它是構建自定義 FOC（磁場定向控制）系統的理想基礎模塊，例如在使用與 Arduino 兼容的 MCU 并搭配 SimpleFOC 庫時。該器件不包含板載 MCU，因此邏輯控制和反饋處理需要由用戶自行提供。將其與磁傳感器或霍爾傳感器配合，可以構建閉環的位置或力矩控制系統。其集成的保護功能和低 RDS(on) MOSFET 使其高效且穩健。

平臺示例和 Hackster.io 項目

使用 SimpleFOC、IFX007 和 TLE5012 的閉環電機控制

BLDCSHIELD_TLE9879TOBO1 – 集成式三相 FOC Shield

BLDCSHIELD_TLE9879TOBO1 將三相柵極驅動器、MOSFET 功率級以及 ARM? Cortex-M3 MCU（TLE9879）集成到一個緊湊的 Shield 中。它支持無傳感器和基于霍爾傳感器的 FOC，開箱即可提供平滑、安靜的運行和完整的速度控制。它設計為可直接疊加在 Arduino 或其他 MCU 板卡上，并由英飛凌的軟件庫管理 PWM 生成、換相和保護。其工作電壓范圍為 6 V 至 28 V，額定總電機功率約為 150 W。

BLDCSHIELD_TLE956XTOBO1 – 緊湊型 BLDC 系統 IC Shield

BLDCSHIELD_TLE956XTOBO1 基于 TLE9563-3QX 系統 IC，為速度和力矩控制提供了一種高性價比的 BLDC 解決方案。它集成了三個半橋、一個柵極驅動器以及用于 5.5 V 至 28 V 運行的保護電路。憑借對霍爾傳感器的內置支持、反接保護以及 SPI 配置功能，它非常適合用于泵、風扇、小型驅動和汽車輔助系統，在這些應用中需要高效的三相控制，但不需要精確的位置反饋。

英飛凌 BLDC 控制器對比

總結

· IFX007T：適合希望獲得完全控制靈活性的開發者。與自有 MCU 和 FOC 算法（例如 SimpleFOC）結合，用于位置或力矩控制。

· TLE9879 Shield：即用型、軟件驅動的三相 FOC 平臺，使用霍爾傳感器實現平滑的速度控制或力矩調節。

· TLE956X Shield：緊湊、集成的 BLDC 解決方案，非常適合風扇或泵等速度控制應用。

步進電機控制

步進電機在簡單的直流電機和復雜的伺服系統之間架起了一座橋梁，提供精確、無齒輪的運動，而無需持續的反饋傳感器。

步進電機以小而固定的增量（步進）運動。其內部有多個線圈，圍繞著由永磁體制成的齒狀轉子排列。通過按特定順序給這些線圈通電，磁場會將轉子從一個穩定位置拉到下一個。控制器發送脈沖，每個脈沖命令一個離散步進，因此電機的運動本質上是數字化且可預測的。

由于每個脈沖對應一個固定的角度位移，步進電機無需編碼器即可移動到精確位置。例如，常見的 1.8° 步進電機每轉一圈需要 200 步。通過改變步進頻率來控制速度，通過計數脈沖來控制位置。這使它們非常適合用于 3D 打印機、CNC 設備和相機滑軌——任何需要在中等速度下實現精確可控運動的場合。

BLDC 依賴閉環反饋和 FOC 算法，而步進電機通?？梢蚤_環運行，其精度來自電機本身的設計。然而，這種簡單性也帶來了代價：步進電機不適合高速應用，在轉速過高時會失去力矩。但在低速、高精度運動方面，它們無可匹敵。

英飛凌步進電機控制 Shield（IFX9201 + XMC1300）

英飛凌的步進電機控制 Shield 旨在讓步進運動控制變得簡單而可靠，即使對初學者也是如此。它以兩個 IFX9201 H 橋驅動器和一個 XMC1300 微控制器為核心，形成一個完整的雙線圈雙極步進驅動系統，可直接控制步進電機的兩個相位。

該 Shield 接收來自外部控制器（如 Arduino 或 XMC 板卡）的 STEP 和 DIR 輸入，而板載的 XMC1300 MCU 負責高速 PWM 生成和電流控制。兩者結合，在廣泛的速度范圍內提供平滑而精確的步進。

它支持最高 6 A 的峰值線圈電流（每相約 2 A 連續，取決于散熱），適用于大多數 NEMA 17 和 NEMA 23 級步進電機。驅動器使用 PWM 電流調節，即使在供電電壓高于電機額定電壓時，也能安全地控制線圈電流，在不過熱的情況下提升力矩。

該 Shield 支持全步、半步和微步模式：

· 全步（Full Step）： 每次運動時完全激勵兩個線圈，提供強力矩但運動較粗。

· 半步（Half Step）： 交替激勵單線圈和雙線圈，將分辨率提高一倍并改善平滑度。

· 微步（Microstep）： 以正弦方式控制線圈電流，實現超精細定位和近乎靜音的運行。

板載電位器允許你直接在電路板上調節電流限制，保護電機和驅動器。該 Shield 可與 XMC1100 Boot Kit、XMC4700 Relax Kit 或其他 5 V 兼容平臺干凈對接，也可通過標準的步進 / 方向信號與通用微控制器配合使用。

在電路板內部，兩個 IFX9201 橋負責功率級，而 XMC1300 負責時序、電流調節和信號調理，使主微控制器可以專注于更高層的邏輯或通信任務。

這使英飛凌步進電機控制 Shield 成為需要精確角度控制、又不想引入閉環反饋復雜性的項目中理想的教學和原型平臺。

關鍵規格

· 工作電壓：6 V – 24 V（典型）

· 每線圈峰值電流：最高 6 A

· 每線圈連續電流：2 A（取決于散熱和占空比）

· 控制輸入：STEP、DIR、DIS（使能 / 禁用）

結論

從簡單的直流電機到精密的步進電機，再到高效的 BLDC 系統，每一個運動項目都始于同一個理念：將受控的能量轉化為運動。英飛凌的 Shield 和驅動器讓這一過程變得簡單，無論你是在學習、原型開發，還是構建大型系統。