以綠色能源為動力核心正在逐漸成為越來越多科技產品的目標。半數以上電機采用都是電力驅動，所以電機對電能的使用和轉化率覺得了對電能的消耗，設計人員必須尋找一種方式來使電機達到最高效的電力利用。
電動機的作用就是把電能轉換成為機械能，而效率則是指產生的機械能與所用的電能之比。電機的振動、發熱、噪聲和諧波屬于各種形式的損耗，要實現高效率，就應減少這些能耗。那么有哪些設計技巧可供設計人員使用，以幫助他們實現高效率呢?
本文將介紹綜合運用磁場定向控制(FOC)算法和脈沖頻率調制(PFM)嚴密地控制電機，實現高精度與高效率。
FOC
標量控制(或者常稱的電壓/頻率控制)是一種簡單的控制方法，通過改變供電電源(電壓)和提供給定子的頻率來改變電機的扭矩和轉速。這種方法相當簡單，甚至用8/16位微處理器也能完成設計。不過，簡便的設計也伴隨著最大的缺陷——缺乏穩健可靠的控制。如果負載在高轉速下保持恒定，這種控制方法倒是足夠。但一旦負載發生變化，系統就不能快速響應，從而導致能量損失。
相比而言，FOC能夠提供嚴格的電機控制。這種方法旨在讓定子電流和磁場保持正交狀態(即成90度角)，以實現最大扭矩。由于系統獲得的磁場相關信息是恒定的(不論是從編碼器獲得，還是在無傳感器工作狀態下的估算)，它可以精確地控制定子電流，以實現最大機械扭矩。
一般來說FOC比較復雜，需要32位處理器和硬件加速功能。原因在于這種方法需要幾個計算密集型模塊，比如克拉克變換、帕克變換等，用于完成三維或二維坐標系間的相互轉換，以抽取電流相對磁通的關系信息。
如圖1所示，控制電機所需考慮的輸入包括目標扭矩指令、供電電流和轉子角。根據這些參數完成轉換和計算，計算出電力電子的新驅動值。完成一個周期的FOC所需的時間被稱為環路時間。不出所料，環路時間越短，系統的響應速度就越快。響應速度快的系統意味著電機能夠迅速針對負載做出調整，在更短的時間周期內完成誤差補償，從而實現更加順暢的電機運行和更高的效率。
圖1：磁場定向控制可以嚴密地控制電機扭矩，提高效率。環路時間越短，系統響應速度越快。
一般采用嵌入式處理器實現FOC算法，環路時間介于50us到100us之間，具體取決于模型和可用的硬件。此外，還可采用軟件來實現FOC，但無法保證其確定性。因此大量設計借助FPGA硬件加速，來發揮這種技術的確定性和高速處理優勢。使用最先進的28nm FPGA技術，典型FOC電流環路時間為1.6us1，相對采用軟件方法明顯縮短。
由于加強電機控制不僅可降低噪聲，而且還能提升效率和精度，因此目前大部分電流環路都采用硬件來實現，而且傾向于把速度環路和位置環路也遷移到硬件實現方案中。這種做法是可能的，因為隨著數字電子電路技術的進步，單個器件擁有足夠強大的運算能力。用FPGA實現的速度控制環路時間和位置控制環路時間分別為3.6us1和18us1。與傳統軟件方法相比這是顯著的性能提升，因為傳統的位置環路時間一般在毫秒級。
