國際能源報告顯示，2006年電子電機的能耗為全球電能消耗總量的46%，相當于6040 Mt CO2排放量1。這導致人們要求電機驅動器制造商新增高級控制功能和工具，以便優化系統能效。在工廠生產系統中優化能效的新電機驅動器生態系統已得到了全球范圍內的廣泛認可。對于歐洲來說，得益于節能政策，工業電能消耗量呈現出每年1%的下降趨勢2。

工廠中最常用到電機的地方是電泵、風扇、壓縮機和運輸機，且電機在這些應用中大多屬于標準產品。小型機器設備中使用的小型電機(低于0.75 kW)占全球存量的90%，但電機能耗不到總量的10%。然而，中等尺寸(0.75 kW至350 kW)的工業電機幾乎占全球電機能耗的70%。在一個典型應用中，僅有50%的系統能耗轉換為有用的機械能，這引起了全球能源法規制定者和廠商的重視。過去幾年來，美國、中國、歐洲和其他地區的監管機構引入了最低能耗性能標準(MEPS)。優質電機的額定能效等級現在可從最低功耗范圍時的80%到最高時的96%，因此廠商開始在電機以外尋求節能手段。

圖1. 自動化機器控制要求在功率逆變器、控制和通信電路之間使用多個反饋控制環路和安全隔離柵。

圖1描述了現代工廠中自動化機器或過程的主要元素。這種方式提供了優化機器運行和過程的全新思路，將能效和生產率提升到新的高度。

電機的效率和總體生產過程由多個控制層決定。第一個控制層調節功率逆變器的開關順序，控制電機電壓和電流以及最大扭矩生產率。第二層是位置和速度控制器，高效率運作機器。在過程設備中，它可以驅動最優泵流速；而在自動化設備中，它可以是執行裝配功能的速度或位置命令序列。如果是后一種情況，則速度控制的響應時間相比扭矩生產率而言對機器控制器更為重要。通信和系統層的重要性日益凸顯，因為多個電機現在通過高速數據網絡同步，并連接工廠網絡。過程管理器可在需要的時候順序開啟機器，而不是讓它們在空閑模式下等待。聯網安全功能實現設備的高效啟動和停止，最大程度縮短停機時間。工廠管理人員跟蹤電機驅動器的操作，并診斷數據，以便改善過程能效和可靠性。

高效扭矩產生： 算法和以太網

電機效率是任意給定速度和終端電壓下每安培所產生扭矩的函數。電子電機通過試圖將其內部磁場拉至對齊位置的力產生扭矩。在圖2交流電機中，這些力通過定子和轉子磁場的相互作用產生。當定子電流與轉子運動同步時，交流電機產生恒定的扭矩，維持連續場的不對齊狀態。交流電機速度與電機電流頻率直接相關，且需要使用可變頻率電壓源才能進行速度控制。當轉子和定子的磁場對齊誤差達到最大時，效率最高。電機效率還取決于電機結構，尤其是轉子磁場結構。在異步感應電機中(AIM)，電流流過轉子和定子繞組，部分最小定子電流消耗在使磁芯磁化上。永磁同步電機(PMSM)效率更高，因為它們無需任何電流來使轉子磁場磁化。借助于突出的磁芯結構，超高效率內部永磁(IPM)電機能夠產生額外的扭矩。

圖2. PMSM和AIM電機具有相似的定子場結構，但轉子場結構極為不同。

以上所有電機都用于工業中，具體取決于功率和應用要求，但由于結構簡單、使用方便，異步感應電機是目前為止最常用的電機。永磁同步電機具有較高的扭矩重量比，其低慣性轉子結構使其非常適合自動設備的高動態控制應用。然而，AIM可在直接連接三相交流線的時候啟動，并且可以使用簡單頻率逆變器控制速度。以前不像現在那么重視效率，一般是直接把風扇、泵或壓縮機連接到交流線上，并通過阻尼器、閥門或簡單的開/關控制這個過程。以50%速度運行時，開環頻率控制可將離心泵的功耗降低至不足全功率的20%；而使用開/關控制使流速下降到50%時，功耗為全功率的50%。這種系統效率提升促使廠商改造現有固定速度電機應用的變頻器。近來，高級算法可以通過微調定子電壓來調節轉子磁場，進而優化效率。驅動器制造商現已開始提供標準驅動箱，可配置為各種電機型號與類型。

最新的模擬和數字信號處理設備甚至在成本敏感型變頻器應用中引入了高級控制功能。估算算法僅測量定子電流和電壓便可計算出轉子磁場的角位置。這些無傳感器控制算法簡化了高效率IPM電機的部署，并最大程度提升壓縮機和運輸機等應用的處理效率。諸如繞組機器或大型泵等較高功耗應用依然傾向于采用感應電機，但500 kW電機的典型效率可高達96%。這些驅動器內置的算法通常可以優化電機效率，并監控驅動器的工作情況。一般而言，這些驅動器采用串行現場總線連接，允許本地PLC記錄運行和診斷數據。一個不斷增長的趨勢是使用諸如Ethernet/IP或Modbus TCP等工業以太網協議將驅動器連接到工廠網絡中，以便通過協調多個驅動器運行而改善效率。

高效運動控制： 精確隔離和通信

精確運動控制加上精確通信時序，可縮短機器生產周期，降低生產每個部件所消耗的能源。由于設備的資本投入，這一點在機器生產率和質量通常比電機能效更重要的自動化系統中很重要。驅動器制造商通過PMSM伺服電機和驅動器支持自動化應用；這些電機和驅動器設計為可在速度和位置控制中實現快速響應和高精度。快速控制處理器配合精確電壓驅動器和電流反饋，可提供平滑的動態扭矩控制。功率變頻器中的高電壓和電流對電路設計人員來說是一種挑戰，因為隔離電路必須滿足嚴格的電氣安全標準。高速磁隔離技術支持模擬和數字信號電壓的安全隔離，且不會降低速度或精度性能。編碼器處內置的精密模數轉換器可提供高達24位分辨率的位置反饋，從而在低至1 RPM的速度下實現高動態速度控制。這種性能水平可支持的自動化應用有：精密機器部件的多軸銑磨、精細幾何集成電路的裝配，或手機部件的注塑成型。除了控制精度，電機運動時序還需緊密同步，因為時序誤差直接導致多軸位置控制的軌跡誤差。諸如PROFINET和EtherCat等同步工業以太網協議采用經過修改的以太網網絡接口，支持數據的實時同步，且時鐘抖動低至1 μs。這些網絡接口支持全部兩種同步運動控制，可實現生產系統管理的高生產率和工廠網絡連接性。工程效率：快速定制建模工具可讓驅動器公司為最終應用快速定制控制算法，無需在工廠中投入大量試生產和誤差調諧。

自動化機器是復雜的互連系統，需要跨學科工程團隊的支持。圖3僅顯示支持開發自動化設備開發所需的部分關鍵設計功能。一般而言，很多這類工程師供職于不同的公司，因此供應鏈上的不同供應商必須為設計人員的整合工作提供支持。MathWorks等公司提供的建模工具支持完整的系統模型，包括狀態控制、運動算法、電機和機器負載。特殊的電磁和機械設計工具可以生成交流電機和機器的行為模型，增加系統模型的精度。雖然無法完全自動化整個設計過程，但可以大幅減少原型制作次數。新電機或機器的控制算法可在進行原型制作前于仿真平臺上完成開發和測試。自動代碼生成工具允許在測試平臺上快速部署控制算法。每一次設計迭代都提供新的數據，改進系統模型的精度。自動生成的控制代碼加上經過驗證的系統應用代碼，可以用于生產驅動器系統中。因此，驅動器公司可快速部署針對特定應用優化的新控制功能，進而優化能效和自動化生產率。

圖3. 電機驅動和自動化系統設計需要用到多種工程工具。

結論

越來越多的工業和儀表應用要求使用精密轉換器來實現各種工藝的精確控制與測量。此外，這些最終應用還要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時降低成本和電路板面積。元件制造商正在解決這些難題，并推出了一系列產品來滿足系統設計人員對當前與未來設計的要求。如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用于精密應用，每一種都各有優缺點。隨著系統精度的提高，人們需要更加注重合適元件的選擇，以滿足應用要求。