——从一个小型机器人手臂到一辆自动化车辆——我们其实就是在谈论电机控制。

  电机是任何机电系统的肌肉，将电能转换为运动。但就像肌肉相同，它们需要大脑和神经才能正常工作，这正是控制器和驱动器发挥作用的地方。

  电机驱动器（功率级）：围绕在其外的是电机驱动器，它接收低功率控制信号，并将其转换为电机所需的更高电压和电流。可以把它看作一个放大器，负责功率电子和开关。

  电机控制器（控制逻辑）：再往上一层是电机控制器，它解释诸如“以 200 RPM 旋转”或“顺时针旋转 90°”这样的命令，并生成驱动器能够理解的 PWM 波形或换相信号。它通常实现控制回路（用于力矩、速度或位置）以及传感器处理（例如霍尔传感器、编码器、电流检测）。

  系统控制器（应用大脑）：最上层是系统控制器——你的 Arduino、Raspberry Pi 或嵌入式 CPU——负责协调运动逻辑、路径规划、安全性以及与系统其余部分的通信。

  这种分离提高了灵活性、可靠性和可扩展性。系统控制器不需要承担快速、高电流的开关任务。电机驱动器不需要理解高层目标。电机控制器在中间架起桥梁，确保精确而高效的运动。当每一层专注于自己的角色时，你就能获得更清晰的设计、更容易的调试以及更好的性能。

  在机器人和自动化领域，大多数执行器都是电动的——它们将电能转换为运动，通常分为两类：

  旋转执行器：有刷直流电机、无刷直流（BLDC）电机、步进电机和伺服电机。它们在产生旋转的方式、换相方式和我们也可以多精确地控制其力矩 / 位置 / 速度方面各不相同。

  直线执行器：将旋转转换为直线运动的机构（例如丝杠、滚珠丝杠、皮带传动以及集成式直线执行器），用于提升、推动和滑动。

  开环控制假设电机会按指令响应。例如，我们设置一个PWM 占空比，并期望获得成比例的速度。这种简单性在负载可预测或允许丢步 / 速度变化的场景中是足够的——例如风扇或在裕量下运行的轻载步进电机。

  闭环控制测量电机实际做了什么（通过编码器、霍尔传感器或电流/ 电压反馈），并实时修正误差。这使得在负载变化、电源波动或摩擦存在的情况下，仍能实现精确的力矩、速度和位置调节。例子包括带有电流和速度环的 BLDC 磁场定向控制（FOC），或带有位置和速度环的伺服控制。

  闭环控制引入反馈。系统测量电机实际的运作时的状态——使用编码器、霍尔传感器、旋转变压器，或反电动势 / 电流检测——并调整指令以匹配目标速度、力矩或位置。这正是 BLDC 系统、伺服系统和高精度应用在负载和电源条件变化下仍能实现精度和稳定能力的原因。

  无论是开环还是闭环，现代电机控制通常都遵循相同的分层结构：控制器→ 驱动器 → 电机 → 反馈（可选）。

  ·有刷直流电机简单、低成本、易于驱动——很适合基础运动和快速原型开发。

  ·BLDC 电机去除了机械电刷并使用电子换相，提供更高的效率、转速能力和寿命。

  ·步进电机以固定步距运动，具有非常出色的开环定位精度；常用于3D 打印机、CNC 设备和相机滑轨。它们也能够最终靠编码器实现闭环，以获得更高的力矩利用率和可靠性。

  ·伺服系统将电机、传感器和控制器集成在一个单元中，实现即插即用的精密定位；“伺服”既可以指业余级 PWM 伺服，也可以指工业伺服驱动。

  每种电机类型都对应其专用的驱动器和控制方式——从用于有刷直流电机的简单半桥驱动器，到用于 BLDC 和步进应用的集成三相解决方案。选择正真适合的组合意味着将电压和电流额定值与电源和负载相匹配，选择一种控制方式（开环、速度控制、力矩控制、位置控制），并对系统来进行分层，使每个部分都高效地完成自己的任务。

  现在，让我们更深入地了解三大主要电机家族：DC、BLDC 和步进电机，并探讨英飞凌的专用驱动器和控制器解决方案如何将这些层级整合在一起，实现实用、高效且可扩展的运动控制。

  直流电机是将电能转换为运动的最直接方式。施加电压，轴就会旋转；反转极性，它就会反向旋转。它们如此有用的原因主要在于，我们大家可以轻松控制速度和方向——但前提是为其匹配合适的驱动器。

  在选择直流电机驱动器时，有三个电气特性定义了这种匹配。第一是电机电压，即电机所设计的供电电压。驱动器一定要能安全地承受这一电压范围，最好还留有一些余量。第二是平均电流，即电机在正常负载下消耗的电流。驱动器一定要能在不发生过热的情况下持续承载这一电流。最后是堵转电流：当转子被阻挡或在重载启动时产生的大电流冲击。驱动器一定要能在极短的时间内承受这一电流，而不会关断或烧毁。

  一旦理解了这些限制，对电机的控制就变成了功率路由的问题。在每个直流电机驱动器内部，都有一个H 桥——四个晶体管按字母 H 的形状排列，电机作为横梁。

  通过闭合一对对角开关，电流沿一个方向流动，电机正转；闭合另一对，则电机反转。全部断开，电机停止。有些驱动器还可以短时间短接两端来对电机进行制动。

  为了调节速度，个人会使用脉宽调制（PWM）。与其降低电压，不如快速地将电压打开和关闭，并改变每个脉冲保持高电平的时间。短脉冲使电机保持较慢速度，长脉冲让电机转得更快。结果是平滑的速度控制和完整的力矩效率，很适合用于机器人、风扇和精密执行器。

  英飞凌的现代驱动器使用MOSFET 而不是旧式的双极型晶体管，这在某种程度上预示着更低的电压损耗（0.1V 相比 0.7V）、更少的热量以及更高的效率——这在电池供电系统中尤为重要。

  大多数英飞凌驱动器将控制简化为仅两个信号：一个用于PWM（速度），一个用于方向。有些还包括使能输入或诊断引脚，但基本原理保持不变。

  现在我们已理解了如何将驱动器与电机匹配，接下来看看英飞凌的产品线如何覆盖不同的电压和电流水平。

  TLE94112 是一款多电机驱动器，集成了 12 个 MOSFET 半桥，可配置为独立输出、组合成完整的 H 桥，或并联以获得更高的电流。它支持 SPI 通信，并包含用于速度控制的内置 PWM 发生器，同时具备过流、开路、欠压 / 过压以及过热关断等标准保护和诊断功能。该器件的工作电压范围为 4 V 至 40 V，每个半桥可提供约 0.9 A 的连续电流，峰值可达 1.5 A，当通道并联时可提供 3.6 A。这使其很适合用于小型机器人或类似应用中的多电机控制系统。

  BTN7030 是英飞凌 MOTIX™ 系列中的一款高电流半桥驱动器，专为中等功率直流电机设计。它在 6 V 至 18 V 的标称范围内工作（扩展可达约 28 V），每通道可提供约 7 A 的连续电流。该器件支持最高 2 kHz 的 PWM 控制，并使用简单的 PWM + 方向接口实现双向电机控制。它还包括约 5% 精度的电流检测输出、关断状态诊断，以及针对过温、过流和电压瞬变的集成保护。这种组合为可靠的中等功率电机控制提供了紧凑而高效的解决方案。

  采用BTN9970LV 和 BTN9990LV 的电机控制 Shield 具有最小 60 A 的过流检验测试能力，并可在最高 40 V 下工作。它结合了两个智能半桥驱动器，可用于控制一个双向直流电机或两个独立电机。这两款器件采用相同的架构，集成了逻辑电平控制（IN/EN）、电流检测和诊断输出（IS1/IS2），以及用于高效低损耗运行的强健 MOSFET 功率级。它们包括针对过流、过温和短路的内置保护，以及用于安全开关的有源箝位。该 Shield 支持 PWM 速度控制，并可直接连接到 Arduino Uno R3 等兼容板卡，使其可以通过 Infineon motix-btn99x0 库轻松集成到各种微控制器平台中。

  与有刷直流电机不同，无刷直流（BLDC）电机仅施加电源并不会旋转。它们需要一个电子控制器，以正确的顺序协调三相定子绕组，生成旋转磁场。每个绕组承载相位相差 120° 的电流，通过按正确顺序给它们通电，控制器使转子的永磁体跟随磁场，由此产生旋转。

  为了获得最大力矩，定子磁场保持在转子磁场前方约90°，这一技术称为磁场定向控制（FOC）。维持这种相位关系需要来自转子的反馈，通常来自霍尔传感器或磁编码器，以便控制器始终知道转子的位置。这种反馈正是 BLDC 与有刷电机的区别所在：有刷电机可以开环运行，而 BLDC 依赖传感器或无传感反馈来实现平滑、高效的运行。

  与有刷直流电机一样，必须检查电机与驱动器之间的功率匹配：电压、连续电流和峰值（堵转）电流都必须落在驱动器的限制范围内。但BLDC 系统更进一步。控制器不单单是一个功率放大器，它是一个完整的系统，结合了微控制器、栅极驱动器和 MOSFET 功率级。它处理换相、PWM 生成、电流检测，以及通常还包括诸如 FOC 之类的高级算法。

  英飞凌的BLDC 产品线覆盖了所有这些需求，从紧凑型半桥 IC 到完整的三相集成电机控制 Shield。

  IFX007T 是一款智能高电流半桥驱动器，典型参数可达 40 V 和 55 A。它是构建自定义 FOC（磁场定向控制）系统的理想基础模块，例如在使用与 Arduino 兼容的 MCU 并搭配 SimpleFOC 库时。该器件不包含板载 MCU，因此逻辑控制和反馈处理需要由用户自行提供。将其与磁传感器或霍尔传感器配合，可以构建闭环的位置或力矩控制管理系统。其集成的保护功能和低 RDS(on) MOSFET 使其高效且稳健。

  BLDCSHIELD_TLE9879TOBO1 将三相栅极驱动器、MOSFET 功率级以及 ARM® Cortex-M3 MCU（TLE9879）集成到一个紧凑的 Shield 中。它支持无传感器和基于霍尔传感器的 FOC，开箱即可提供平滑、安静的运行和完整的速度控制。它设计为可直接叠加在 Arduino 或其他 MCU 板卡上，并由英飞凌的软件库管理 PWM 生成、换相和保护。其工作电压范围为 6 V 至 28 V，额定总电机功率约为 150 W。

  BLDCSHIELD_TLE956XTOBO1 基于 TLE9563-3QX 系统 IC，为速度和力矩控制提供了一种超高的性价比的 BLDC 解决方案。它集成了三个半桥、一个栅极驱动器以及用于 5.5 V 至 28 V 运行的保护电路。凭借对霍尔传感器的内置支持、反接保护以及 SPI 配置功能，它很适合用于泵、风扇、小型驱动和汽车辅助系统，在这些应用中需要高效的三相控制，但不需要精确的位置反馈。

  ·IFX007T：适合希望获得完全控制灵活性的开发者。与自有MCU 和 FOC 算法（例如 SimpleFOC）结合，用于位置或力矩控制。

  ·TLE9879 Shield：即用型、软件驱动的三相FOC 平台，使用霍尔传感器实现平滑的速度控制或力矩调节。

  ·TLE956X Shield：紧凑、集成的BLDC 解决方案，很适合风扇或泵等速度控制应用。

  步进电机在简单的直流电机和复杂的伺服系统之间架起了一座桥梁，提供精确、无齿轮的运动，而无需持续的反馈传感器。

  步进电机以小而固定的增量（步进）运动。其内部有多个线圈，围绕着由永磁体制成的齿状转子排列。通过按特定顺序给这些线圈通电，磁场会将转子从一个稳定位置拉到下一个。控制器发送脉冲，每个脉冲命令一个离散步进，因此电机的运动本质上是数字化且可预测的。

  由于每个脉冲对应一个固定的角度位移，步进电机无需编码器即可移动到精确位置。例如，常见的1.8° 步进电机每转一圈需要 200 步。通过改变步进频率来控制速度，通过计数脉冲来控制位置。这使它们很适合用于 3D 打印机、CNC 设备和相机滑轨——任何的需要在中等速度下实现精确可控运动的场合。

  BLDC 依赖闭环反馈和 FOC 算法，而步进电机通常可以开环运行，其精度来自电机本身的设计。然而，这种简单性也带来了代价：步进电机不适合高速应用，在转速过高时会失去力矩。但在低速、高精度运动方面，它们无可匹敌。

  英飞凌的步进电机控制Shield 旨在让步进运动控制变得简单而可靠，即使对初学者也是如此。它以两个 IFX9201 H 桥驱动器和一个 XMC1300 微控制器为核心，形成一个完整的双线圈双极步进驱动系统，可直接控制步进电机的两个相位。

  该Shield 接收来自外部控制器（如 Arduino 或 XMC 板卡）的 STEP 和 DIR 输入，而板载的 XMC1300 MCU 负责高速 PWM 生成和电流控制。两者结合，在广泛的速度范围内提供平滑而精确的步进。

  它支持最高6 A 的峰值线 A 连续，取决于散热），适用于大多数 NEMA 17 和 NEMA 23 级步进电机。驱动器使用 PWM 电流调节，即使在供电电压高于电机标称电压时，也能安全地控制线圈电流，在不过热的情况下提升力矩。

  ·全步（Full Step）：每次运动时完全激励两个线圈，提供强力矩但运动较粗。

  ·半步（Half Step）：交替激励单线圈和双线圈，将分辨率提高一倍并改善平滑度。

  ·微步（Microstep）：以正弦方式控制线圈电流，实现超精细定位和近乎静音的运行。

  板载电位器允许你直接在电路板上调节电流限制，保护电机和驱动器。该Shield 可与 XMC1100 Boot Kit、XMC4700 Relax Kit 或其他 5 V 兼容平台干净对接，也可通过标准的步进 / 方向信号与通用微控制器配合使用。

  在电路板内部，两个IFX9201 桥负责功率级，而 XMC1300 负责时序、电流调节和信号调理，使主微控制器能专注于更高层的逻辑或通信任务。

  这使英飞凌步进电机控制Shield 成为需要精确角度控制、又不想引入闭环反馈复杂性的项目中理想的教学和原型平台。

  从简单的直流电机到精密的步进电机，再到高效的BLDC 系统，每一个运动项目都始于同一个理念：将受控的能量转化为运动。英飞凌的 Shield 和驱动器让这一过程变得简单，无论你是在学习、原型开发，还是构建大型系统。