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作為大部分機械電子產品中不可或缺的重要部件，電機的發展史可以追溯到19世紀。當時大部分科學家對于電和磁之間的關系一直持否定態度，他們認為電和磁之間沒有因果關系。但是丹麥物理學家、化學家奧斯特（?rsted）受一種科學思潮的影響，信奉德國哲學家、作家康德的哲學，認為自然界的各種力可以相互轉化，也可以統一。

電生磁，磁生電

1820年4月21日晚，奧斯特在用伏打電池給白金通電做電學演示實驗時，無意識地扳動電源開關的時候，偶然發現一枚放在細長鉑絲導線附近的小磁針輕微地晃動了一下，然后停在與導線垂直的方向上。這就是著名的“電流的磁效應”發現的經過，簡稱“電生磁”，后來的人們把它稱為“電磁學第一定律”。 

遺憾的是，奧斯特沒能以它來發明用電驅動、連續轉動的裝置——電機。直到1821年，英國物理學家、化學家法拉第（Faraday）在重復奧斯特“電生磁”實驗的時候，才制造出了人類史上第一臺最原始的電動機的雛形——一種在水銀杯中固定的磁鐵（或固定的導線）圍繞固定的通電導線（或固定的磁鐵）連續旋轉的裝置。

在發現“電生磁”之后，許多物理學家也都在思考：既然電能生磁，那么能不能“磁生電”呢？

法拉第1822年開始潛心設計過許多種類的“磁生電”裝置，但都沒有看到期望的電流產生。直到1831年8月，他才發現“感生電流”，這種“電磁感應（現象）”即“磁生電”。同年10月，法拉第制成了圓筒形線圈和磁棒組成的原始發電機。

在接下來的近200年中，電能成為現代社會最主要的能源之一，而在電能的生產、輸送和使用等方面，電機起著至關重要重要的作用。據Grand View Research 的研究，到2025年，全球電機市場將達到1,550億美元。

電機的三種分類方法

隨著科學的進步，生產力的迅猛發展，電機更新換代的速度日益加快。從最初的直流電機到現在大熱的超聲電機，應用范圍也越來越廣，遍及生產生活的各個領域。按照不同的原理、技術，電機可以有多種分類方法。

如果按照工作電源分類，可以分為直流電機和交流電機。直流電機包括有刷直流電機和無刷直流電機，有刷直流又進一步分為永磁直流和電磁直流；交流電機則可以分為單相電機和三相電機。

如果按照按照結構和工作原理，可以劃分為直流電機、異步電機和同步電機，后兩者屬于交流電機。異步電機又可以分為感應電機和交流換向器電機，同步電機則分為永磁同步、磁阻同步和磁滯同步三種。

最后按照用途劃分，可以分為驅動用電機和控制用電機兩大類。驅動用電機包括無換向器電機和換向器直流電動機，控制用電機包括步進電機和伺服電機。

由于每個分類中還會進一步分成很多細項，將電機的分類整理成了一張思維導圖，為大家更直觀地做了科普。

一些時下熱門的電機應用

所有的電機都是基于相同的原理，當電荷施加在線圈(定子)上時，它就成為了一個電磁鐵。定子位于具有相反極性的磁鐵場內，形成轉子。當對電磁鐵的電荷被迅速切換時，使用一種叫做換向器的裝置，電機的軸可以旋轉。

前面我們提到了電機在直流和交流上的分類。交流電機中的同步交流電機需要直流電源來為轉子繞組供電，而異步電機則不需要這種額外的電源。對于自動化應用，可變磁阻交流電機是常見的，因為這可以作為基礎的步進電機。

當前，直流電機(通常是無刷直流電機BLDC)變得非常流行，因為它們可以提供高能效。無刷直流電機中的永磁體放置在轉子上，而電磁鐵則駐留在定子上。步進電機是直流電機的另一種設計，因為它有一個由幾個磁鐵組成的轉子，類似于齒輪上的齒。這使得電機的角度可以被精細地控制，以實現所需的機械輸出。

步進(單極或雙極)電機，有刷直流電機和伺服電機是最常見的自動化應用，可見于汽車設計和機器人中。異步(感應)和同步(永磁)電機也是常見的，是強固的和典型的低成本。電機類型用于任何給定應用現已發展到這樣一種程度，有許多可供設計人員選擇的配置選項。

隨著控制單元與電機類型和應用高度匹配，數字控制正日益流行。如壓縮機或泵等需要以每秒特定轉速運轉的電機速度，可以使用數字控制系統更精確地控制。數字控制系統對變速電機也是有效的，其速度與頻率成正比。需要理解的重要因素是，隨著電機應用的發展，它們的控制系統也必須發展。開發人員需要一個高效、靈活的電機控制設計環境，該環境提供了一套工具，以促進迭代設計和快速原型開發。

淺談電機驅動控制方案選型要點

我們先來看看電機驅動芯片，它們一般是集成有CMOS 控制電路和DMOS 功率器件的芯片，利用它可以與主處理器、電機和增量型編碼器構成一個完整的運動控制系統。可以用來驅動直流電機、步進電機和繼電器等感性負載。

電機驅動芯片采用標準的TTL邏輯電平信號控制，具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作，有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。

以驅動一個直流無刷電機為例，必備要素包括MCU+Gate Driver或Pre- Driver（預驅）和功率器件(MOSFET)，MCU芯片通過PWM波形控制預驅芯片，進而預驅芯片控制功率器件（MOS、IGBT），甚至在一些小功率應用中還出現了集成全部鏈路的情形。

在電機驅動電路的設計中，應重點關注的參數包括電機驅動電壓、峰值電流、轉動方面和速度，以及屬于H全橋還是H半橋，與MCU主控的通信接口是SPI、I2C還是CAN等。對于PWM調速的電機驅動電路，選擇驅動芯片時還需要考慮輸出電流和耐壓、效率、不同的溫度、電阻、磁場變化對控制輸入端的影響、對電源的影響以及可靠性等指標。

在當前便攜設備、物聯網和5G應用越來越普及的情況下，對電機驅動的高精度、小型化、高集成度、低功耗要求越來越高；而自動化生產線則對電機驅動的高可靠性和長壽命提出了苛刻的要求。不同的應用場合，采用不同的驅動方案是必要的，數明半導體在一篇技術文章中按集成度的不同，將主流電機驅動器方案分為了3種：系統單芯片(SoC)方案、集成的控制方案(ICS)和門極驅動器方案。

1. SoC方案將DC-DC、門極驅動器、控制器、逆變器及反饋/保護等集成到單個芯片上，集成度高，適合空間受限的應用，簡單易用。

2. ICS方案相對于SoC方案，沒有集成逆變器，因而可通過外部MOSFET支持寬范圍的功率，適用于功率較大的應用，靈活性較高。

3. 門極驅動器方案則只集成DC-DC、門極驅動器和反饋/保護，因為控制器和功率器件都在外部，所以具有最高的靈活度。

在做電機控制時要考慮的情況稍微復雜，因為電機種類本就繁雜，在每一種應用場合下對控制又有著不同的要求。在滿足至少3路正交PWM輸出和ADC采樣兩個基本要求后，在根據具體應用來選擇方案。簡單的六步控制，可能采用普通的51單片機就夠用；如果要用在工業上，以前DSP用的比較多，現在可能大多切換到Arm架構的MCU；再往上用到汽車上就要滿足車規級的MCU；伺服系統如果追求高性能，不少是用DSP或MCU+FPGA。

可見面對林林總總的電機應用挑戰時，根據設計要求選擇一顆合適的MCU是業內人士將面臨的第一個選擇。MCU的CPU頻率、ADC采樣速度、PWM性能從硬件上決定著電機控制環路中電流環、速度環和位置環的響應速度，MCU的集成度也決定了整個系統的復雜程度和成本控制。

另外，當前傳統AC電機設計轉換到更為成熟的BLDC/PMSM電機設計是一大熱點，但BLDC/PMSM電機需要更復雜的電子控制，很多傳統電機行業工程師只了解硬件，缺乏對電子控制算法和將復雜數學計算轉換為軟件編碼的經驗和專有技術，軟件的好壞可影響系統復雜性和成本。因此，如何從系統層面加以軟件支持，是很多電機驅動芯片廠商正在思考的事情。