電機控制設計：電機和控制器簡介

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約作家

電動機消耗了全球近一半的電力。事實上，它們?yōu)楫斀竦拇蟛糠衷O備提供了必要的驅(qū)動力。從小型消費品到大型工業(yè)機器，電機、泵和風扇的產(chǎn)品范圍越來越廣。

效率和能量的轉換在電子設計中一直扮演著重要的角色，在電動機的情況下，轉換發(fā)生了兩次：首先產(chǎn)生控制電動機所需的電能，然后將電能轉化為驅(qū)動力. 消除電機產(chǎn)生的噪聲是電子設計人員在此類應用中必須面對的最常見問題之一。

類型學

發(fā)動機控制提供了在設計階段提高效率的可能性。了解每種類型引擎的控制需求以及最適合給定應用程序的樣式有助于確保在任何情況下都具有更高的效率。

在實踐中，發(fā)動機由三部分組成：運動的部分（通常是旋轉的，但也有直線電機）、固定的部分和產(chǎn)生電磁場的部分。這些部件分別稱為轉子、定子和開關。

所有電動機的工作都歸功于磁場和電流之間相互作用的相同物理原理。這種相互作用會產(chǎn)生以 Nm 為單位的扭矩和速度（以每分鐘轉數(shù)或 RPM 表示），通過它來識別電機的性能。

不同類型的電機通過產(chǎn)生磁場的方式相互區(qū)分：

連續(xù)電機 (DC)：靜磁場，由磁鐵或定子中的繞組產(chǎn)生；旋轉轉子中的繞組。

交流電機 (AC)：動態(tài)場，由電流產(chǎn)生的場與轉子之間的相互作用產(chǎn)生。

步進電機：這些電機使用一系列電脈沖來旋轉電機軸。

無刷直流電機提供穩(wěn)健性和可靠性，并且易于構建和控制。無刷直流電機是將直流電能轉換為機械能的電動機。它使用磁場來產(chǎn)生運動。由永磁轉子和旋轉磁場定子組成，磁場由定子產(chǎn)生。磁鐵在低功率電機中可以是永久性的（例如鐵氧體），并且由中功率和高功率電機中的專用繞組產(chǎn)生，也稱為繞線磁場。通過旋轉的集電器和刷子將動力傳送到轉子。

直流電機無需接觸電機軸上的滑動電觸點（電刷）即可工作。定子繞組中電流的切換以及由它們產(chǎn)生的磁場方向的變化以電子方式發(fā)生。這導致較低的機械阻力，消除了隨著轉速增加而形成火花的可能性，并大大減少了定期維護的需要。

在直流電機中，產(chǎn)生的扭矩與通過轉子繞組的電流成正比。通過直流驅(qū)動器進行的最簡單控制作用于電源電壓。電壓越高，轉數(shù)越高。驅(qū)動扭矩隨著發(fā)動機轉速的變化而變化。它們在動態(tài)建模中被大量使用。

在交流電動機中，磁場的產(chǎn)生是從定子電流與轉子中產(chǎn)生的電流之間的角速度差獲得的。轉子由一個電路組成，該電路由兩端的兩個環(huán)和連接它們的條組成，它們都基于導電材料。所有的交流電機一般都是無刷運行的；即，它們不需要滑動觸點來操作。

兩種電機的主要區(qū)別在于速度控制。直流電機的速度是通過改變電樞繞組的電流來控制的，而交流電機的速度是通過改變頻率來控制的，這通常發(fā)生在可調(diào)頻率控制中。

此外，沒有收集器允許交流電機達到比直流電機更高的速度，并且可以提供高電壓，這在直流電機中是不可能的，因為靠近收集器葉片。

交流電機有兩種類型：同步和異步。

同步電動機是一種由交流電驅(qū)動的電動機，其轉動周期與電源電壓的頻率同步，通常為三相。它由一個轉子（與軸集成的旋轉部件）和一個帶有繞組或線圈的定子組成，轉子上有幾個由直流供電的永磁體或電磁體產(chǎn)生的交替極性的磁極。當前的。

定子的極性膨脹產(chǎn)生驅(qū)動轉子的旋轉磁場。旋轉頻率與電源頻率有關，它是電機中存在的極性擴展數(shù)的函數(shù)。同步電機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，大型同步電機的應用無需調(diào)速即可提高運行效率。近年來，小型同步電機越來越多地用于調(diào)速系統(tǒng)。

異步電動機是一種交流電驅(qū)動的電動機，其旋轉頻率與50/60Hz不成正比；即，它不是與它“同步”的。因此，它不同于同步電機。在三相電機中，極性擴展是三的倍數(shù)。異步電動機具有更高的運行效率和更好的運行特性，從滿載范圍接近恒速運行。它們還滿足工農(nóng)業(yè)機械中的大部分傳動要求。

圖 1：直流電機的功能（圖片：Magnetic Innovations）

步進電機是一種帶無刷電子管理的同步脈沖直流電動機，可將其旋轉分步。步進電機是一種電機，與所有其他電機不同，其目標是將軸保持在穩(wěn)定位置。如果它們只是簡單地通電，它們只會停在一個非常精確的位置。?

步進電機在低角速度下具有高扭矩。這對于以最大速度加速有效載荷很有用。此外，步進電機具有高保持轉矩。這是在電機驅(qū)動的情況下與旋轉相反的扭矩。它通常很高，即使對于小型電機，當轉子靜止時也會導致“自鎖”。

在步進電機內(nèi)部，有幾個繞組/線圈呈圓形排列在定子上，它們像電磁鐵一樣工作。制造商聲明的相數(shù)對應于電氣連接線圈的組數(shù)。

步進電機有兩種類型：5 到 6 線的單極和 4 線的雙極。兩種類型的區(qū)別在于電磁鐵的連接方式。還有混合動力發(fā)動機可以在單極和雙極模式下工作，使用不同的電機電纜（圖 2）。

圖 2：步進電機及其控制器（圖片：Microchip）

控制器

電機的速度和方向的控制以電機在使用中的運行方式為前提，并且根據(jù)電機的類型和不同的應用要求需要不同的技術和電路。

電機控制器的目的是能夠手動或自動對電機進行操作（啟停、提前反轉、速度、扭轉和電壓過載保護）。

電動機的控制需要電子電路，直到幾年前，由于涉及的電壓和電流，這些電路都是用分立元件制成的。發(fā)動機控制處于研發(fā)活動的最前沿，以在兩個層面上實現(xiàn)高效的微電子解決方案：計算軟件和電力電子。

在計算層面，過去流行的技術是數(shù)字信號處理器 (DSP)，它經(jīng)歷了演變，導致了各種解決方案的實現(xiàn)。一個例子是 Microchip Technology 廣泛的低成本 8 位 PIC 和 AVR MCU 產(chǎn)品線，以及包含創(chuàng)新電機控制 PWM 外設的高性能 16 位 dsPIC 數(shù)字信號控制器 (DSC)，包括互補波形、專用時基、和快速的 12 位 ADC。

IGBT 現(xiàn)在已經(jīng)是第三代，代表了電力控制設備的基本功能，非常適合解決復雜的電機控制問題。在特別極端的使用條件下，最新一代的 IGBT 在開關速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關系，例如在汽車領域?qū)嵤?a href="http://www.3532n.com/tags/逆變器/" target="_blank">逆變器來驅(qū)動電動機的情況。一個例子是 STMicroelectronics 的 1,200-V IGBT S 系列。這些 IGBT 針對低頻使用（高達 8 kHz）進行了優(yōu)化，其特點是低 Vce(sat)。它基于第三代溝槽柵場終止技術。

碳化硅 (SiC) 器件在電機控制和電力控制應用中的使用代表了真正的創(chuàng)新時刻，這要歸功于節(jié)能、減小尺寸、高集成度和可靠性等特性，所有這些在以下應用中都特別敏感汽車和工業(yè)自動化控制。這些器件將快速硅基技術與 SiC 二極管技術相結合，形成了一種混合技術解決方案。例如，英飛凌已生產(chǎn)集成功率器件，作為稱為 CoolSiC 的組件系列的一部分（圖 3）。