有關電動機控制設計的系列文章中的第1部分首先介紹了電動機和控制器。

電動機消耗了全世界發(fā)電量的幾乎一半。實際上，它們?yōu)楫斀竦拇蠖鄶翟O備提供了必要的驅動力。從小型消費品到大型工業(yè)機器，電機，泵和風扇存在于越來越廣泛的產品中。

效率和能量轉換在電子設計中一直起著重要作用，就電動機而言，轉換發(fā)生兩次：首先產生控制電動機所需的電力，然后將電力轉換成驅動力。消除電機產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

引擎控制提供了在設計階段提高效率的可能性。了解每種引擎的控制需求以及最適合給定應用程序的樣式可以幫助確保在任何情況下均具有更高的效率。

實際上，發(fā)動機由三部分組成：運動的部分（通常會旋轉，但也有線性電動機），固定的部分和產生電磁場的部分。這些部分分別稱為轉子，定子和開關。

由于磁場和電流之間相互作用的相同物理原理，所有電動機都可以工作。這種相互作用產生了以Nm為單位的轉矩和速度（以每分鐘轉數或RPM表示），通過該轉矩可以識別電動機的性能。

通過產生磁場的方式將各種類型的電動機彼此區(qū)分開：

連續(xù)電動機（DC）：由磁體或定子繞組產生的靜磁場；旋轉轉子中的繞組。

交流電動機（AC）：動態(tài)磁場，由電流和轉子產生的磁場之間的相互作用產生。

步進電機：這些電機使用一系列電脈沖來旋轉電機軸。

無刷直流電動機具有魯棒性和可靠性，并且易于構建和控制。無刷直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機。它使用磁場產生運動。由永磁轉子和旋轉磁場定子組成，磁場由定子產生。磁體在低功率電動機中可以是永久性的（例如，鐵氧體），并由中功率和高功率電動機中的專用繞組產生，也稱為纏繞磁場。動力通過旋轉的集電器和電刷傳遞給轉子。

直流電動機無需接觸電動機軸上的滑動電觸點（電刷）即可起作用。定子繞組中電流的切換以及由定子繞組產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。

在直流電動機中，產生的轉矩與流經轉子繞組的電流成比例。通過直流驅動器的最簡單控制作用于電源電壓。電壓越高，轉數越高。驅動扭矩隨著發(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，磁場的產生是由定子電流與轉子中產生的定子電流之間的角速度之差獲得的。轉子由電路組成，該電路包括兩個端部環(huán)和連接它們的桿，這些環(huán)均基于導電材料。所有交流電動機通常都運行時不帶電刷。也就是說，它們不需要滑動觸點即可操作。

兩種類型的電動機之間的主要區(qū)別在于速度控制。直流電動機的速度是通過改變電樞繞組的電流來控制的，而交流電動機的速度是通過改變頻率來控制的，這通常是通過可調頻率控制來實現的。

此外，由于沒有集電器，因此交流電動機的轉速高于直流電動機的轉速，并可以提供高電壓，這在直流電動機中由于集電葉片的靠近是不可能的。

交流電動機有兩種類型：同步電動機和異步電動機。

同步電動機是一種由交流電驅動的電動機，其中旋轉周期與電源電壓的頻率（通常為三相）同步。它由一個轉子（與軸集成為一體的旋轉部件）組成，在該轉子上有多個由直流電驅動的永磁體或電磁體產生的具有交替極性的磁極，以及一個帶有繞組或線圈的定子，定子帶有交流電當前的。

定子的極膨脹產生一個旋轉磁場，該磁場驅動轉子。旋轉頻率與電源頻率有關，該頻率是電動機中存在的極坐標擴展數的函數?？梢哉{節(jié)同步電動機的功率因數，而大型同步電動機的應用可以提高運行效率，而無需進行速度調節(jié)。近年來，小型同步電動機已越來越多地用于速度調節(jié)系統(tǒng)中。

異步電動機是一種由交流電驅動的電動機，其旋轉頻率與50/60 Hz不成正比。即，它與它“不同步”。因此，它不同于同步電動機。在三相電動機中，極膨脹是三的倍數。從全負載范圍到恒速運行，異步電動機具有更高的運行效率和更好的運行特性。它們還滿足工業(yè)和農業(yè)機械中的大多數傳動要求。

圖1：直流電動機的功能（圖片：Magnetic Innovations）

步進電動機是具有無刷電子管理功能的同步脈沖直流電動機，可以將其旋轉分為多個步驟。步進電機是與其他電機不同的電機，其目的是將軸保持在穩(wěn)定的位置。如果簡單地為其供電，則它們只會停在非常精確的位置。

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負載很有用。而且，步進電動機具有高的保持轉矩。這是在電動機供電的情況下抵抗旋轉的轉矩。它通常很高，即使是小型電動機，當轉子靜止時也會導致“自鎖”。

在步進電機內部，有多個繞組/線圈在定子上圓形排列，它們像電磁鐵一樣工作。制造商聲明的相數對應于電連接線圈的組數。

步進電機有兩種類型：單極有五到六線，而雙極有四線。兩種類型的區(qū)別在于電磁體的連接方式。還有一些混合動力發(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

電動機速度和方向的控制以所用電動機的工作模式為前提，并且取決于電動機的類型和不同的應用要求，需要使用不同的技術和電路。

電動機控制器的目的是能夠手動或自動作用在電動機上（起停，超前反轉，速度，扭轉和防止電壓過載的功能）。

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

在過去的計算水平上，主要的技術是數字信號處理器（DSP），該技術經歷了演變，最終實現了各種解決方案。一個例子是Microchip Technology的廣泛系列的低成本8位PIC和AVR MCU，以及高性能16位dsPIC數字信號控制器（DSC），其中包含創(chuàng)新的電機控制PWM外設，包括互補波形，專用時基，和快速的12位ADC。

現在已經是第三代的IGBT代表了電力控制設備的基本功能，非常適合解決復雜的電動機控制問題。最新一代的IGBT在極端極端的使用條件下（例如在汽車領域中采用逆變器來驅動電動機的情況下）已在開關速度和行為穩(wěn)定性之間建立了極好的關系。一個示例是意法半導體（STMicroelectronics）的1,200V IGBT S系列。這些IGBT經過優(yōu)化，適用于低頻使用（高達8 kHz），其特征在于Vce（sat）低。它基于第三代溝槽柵極場停止技術。

由于具有節(jié)能，尺寸減小，高集成度和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應用中使用碳化硅（SiC）器件代表了創(chuàng)新的現實時刻，所有這些特性在諸如以下的應用中特別敏感汽車和工業(yè)自動化控制。這些設備將快速的基于硅的技術與SiC二極管相結合，從而形成了混合技術解決方案。例如，英飛凌已經生產了集成功率器件，作為稱為CoolSiC的組件系列的一部分（圖3）。

圖3：7.5 kW的CoolSiC MOSFET電機驅動評估板（圖片：英飛凌科技）

編輯：hfy