電機(jī)控制設(shè)計(jì)系列文章的第 1 部分首先介紹電機(jī)和控制器。

電動(dòng)機(jī)消耗了全球幾乎一半的電力。事實(shí)上，它們?yōu)楫?dāng)今的大部分設(shè)備提供了必要的驅(qū)動(dòng)力。電機(jī)、泵和風(fēng)扇出現(xiàn)在越來越廣泛的產(chǎn)品中，從小型消費(fèi)品到大型工業(yè)機(jī)器。

效率和能量轉(zhuǎn)換在電子設(shè)計(jì)中一直扮演著重要的角色，就電動(dòng)機(jī)而言，轉(zhuǎn)換發(fā)生兩次：首先產(chǎn)生控制電機(jī)所需的電能，然后將電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力. 消除電機(jī)產(chǎn)生的噪聲是電子設(shè)計(jì)人員在此類應(yīng)用中必須面臨的最常見問題之一。

類型

引擎控制提供了在設(shè)計(jì)階段提高效率的可能性。了解每種類型發(fā)動(dòng)機(jī)的控制需求以及哪種類型最適合給定的應(yīng)用程序有助于確保在任何情況下都具有更高的效率。

實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)由三部分組成：運(yùn)動(dòng)部分（一般是旋轉(zhuǎn)，但也有直線電機(jī)）、固定部分和產(chǎn)生電磁場(chǎng)的部分。這些部件分別稱為轉(zhuǎn)子、定子和開關(guān)。

由于磁場(chǎng)和電流之間相互作用的相同物理原理，所有電動(dòng)機(jī)都可以工作。這種相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以 Nm 為單位的扭矩和一個(gè)速度（以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或 RPM 表示），通過它們可以識(shí)別電機(jī)的性能。

各種類型的電機(jī)通過產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式相互區(qū)分：

• 連續(xù)電機(jī) (DC)：由磁鐵或定子繞組產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子中的繞組。
• 交流電機(jī) (AC)：動(dòng)態(tài)場(chǎng)，由電流和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生。
• 步進(jìn)電機(jī)：這些電機(jī)使用一系列電脈沖來旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸。

無刷直流電機(jī)提供穩(wěn)健性和可靠性，并且易于構(gòu)建和控制。無刷直流電機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。它使用磁場(chǎng)來產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。由永磁轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)定子組成，磁場(chǎng)由定子產(chǎn)生。小功率電機(jī)中的磁鐵可以是永久的（例如鐵氧體），并且由中功率和大功率電機(jī)中的專用繞組產(chǎn)生，也稱為繞組磁場(chǎng)。動(dòng)力通過旋轉(zhuǎn)收集器和電刷傳送到轉(zhuǎn)子。

直流電機(jī)不需要接觸電機(jī)軸上的滑動(dòng)電觸點(diǎn)（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(chǎng)方向的變化以電子方式發(fā)生。這導(dǎo)致較低的機(jī)械阻力，消除了隨著轉(zhuǎn)速增加而形成火花的可能性，并大大減少了定期維護(hù)的需要。

在直流電機(jī)中，產(chǎn)生的扭矩與通過轉(zhuǎn)子繞組的電流成正比。通過直流驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行最簡(jiǎn)單的控制作用于電源電壓。電壓越高，轉(zhuǎn)數(shù)越高。驅(qū)動(dòng)扭矩隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。它們?cè)趧?dòng)態(tài)建模中被大量使用。

在交流電機(jī)中，磁場(chǎng)的產(chǎn)生是通過定子電流和轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的電流之間的角速度差異獲得的。轉(zhuǎn)子由一個(gè)電路組成，該電路由兩端的兩個(gè)環(huán)和連接它們的桿組成，這些桿均基于導(dǎo)電材料。所有交流電機(jī)一般無電刷運(yùn)行；即，它們不需要滑動(dòng)觸點(diǎn)來操作。

這兩種電機(jī)的主要區(qū)別在于速度控制。直流電機(jī)的速度是通過改變電樞繞組的電流來控制的，而交流電機(jī)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，沒有集電器允許交流電機(jī)達(dá)到比直流電機(jī)更高的速度，并且可以提供高電壓，這在直流電機(jī)中是不可能的，因?yàn)榭拷娖魅~片。

交流電機(jī)有兩種類型：同步電機(jī)和異步電機(jī)。

同步電動(dòng)機(jī)是一種由交流電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，其旋轉(zhuǎn)周期與電源電壓的頻率同步，通常為三相。它由一個(gè)轉(zhuǎn)子（與軸集成在一起的旋轉(zhuǎn)部分）組成，轉(zhuǎn)子上有幾個(gè)由永磁體或由直流供電的電磁體產(chǎn)生的交替極性的磁極，以及一個(gè)帶有繞組或線圈的定子，由交流供電當(dāng)前的。

定子的極地膨脹產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)頻率與作為電機(jī)中存在的極擴(kuò)展數(shù)的函數(shù)的電源頻率相關(guān)。同步電機(jī)功率因數(shù)可調(diào)，應(yīng)用大型同步電機(jī)可提高運(yùn)行效率，無需調(diào)速。近年來，小型同步電機(jī)越來越多地用于調(diào)速系統(tǒng)。

異步電動(dòng)機(jī)是一種交流電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，其旋轉(zhuǎn)頻率與50/60Hz不成正比；即，它與它不“同步”。因此，它不同于同步電機(jī)。在三相電機(jī)中，極性膨脹是三的倍數(shù)。異步電機(jī)具有更高的運(yùn)行效率和更好的運(yùn)行特性，從滿載范圍接近恒速運(yùn)行。它們還滿足工業(yè)和農(nóng)業(yè)機(jī)械中的大部分傳動(dòng)要求。

圖 1：直流電機(jī)的功能（圖片：Magnetic Innovations）

步進(jìn)電機(jī)是同步脈沖直流電機(jī)，采用無刷電子管理，可分步旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)與其他電機(jī)不同，其目的是將軸保持在穩(wěn)定位置。如果它們只是通電，它們就會(huì)停在一個(gè)非常精確的位置。

步進(jìn)電機(jī)在低角速度下具有高扭矩。這對(duì)于以最大速度加速有效載荷很有用。此外，步進(jìn)電機(jī)具有高保持轉(zhuǎn)矩。這是在電機(jī)供電的情況下抵抗旋轉(zhuǎn)的扭矩。它通常相當(dāng)高，即使對(duì)于小型電機(jī)，這也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子靜止時(shí)“自鎖”。

在步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，定子上有多個(gè)環(huán)形排列的繞組/線圈，它們像電磁鐵一樣工作。制造商聲明的相數(shù)對(duì)應(yīng)于電氣連接的線圈組數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)有兩種類型：五到六線的單極和四線的雙極。兩種類型之間的區(qū)別在于電磁鐵的連接方式。還有一些混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)可以在單極和雙極模式下工作，使用不同的電機(jī)電纜（圖 2）。

圖 2：步進(jìn)電機(jī)及其控制器（圖片：Microchip）

控制器

電機(jī)速度和方向的控制以使用中電機(jī)的運(yùn)行模式為前提，并且根據(jù)電機(jī)的類型和不同的應(yīng)用要求需要不同的技術(shù)和電路。

電機(jī)控制器的目的是能夠手動(dòng)或自動(dòng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行操作（啟停、提前反轉(zhuǎn)、速度、扭轉(zhuǎn)和電壓過載保護(hù)）。

電動(dòng)機(jī)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，這些電路還是由分立元件制成。發(fā)動(dòng)機(jī)控制處于研發(fā)活動(dòng)的最前沿，以在兩個(gè)層面上實(shí)現(xiàn)高效的微電子解決方案：計(jì)算軟件和電力電子。

在計(jì)算層面，過去流行的技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，它經(jīng)歷了一次演變，導(dǎo)致了各種解決方案的實(shí)現(xiàn)。一個(gè)例子是 Microchip Technology 的一系列低成本 8 位 PIC 和 AVR MCU，以及高性能 16 位 dsPIC 數(shù)字信號(hào)控制器 (DSC)，其中包含創(chuàng)新的電機(jī)控制 PWM 外設(shè)，包括互補(bǔ)波形、專用時(shí)基、和快速 12 位 ADC。

IGBT 現(xiàn)在已進(jìn)入第三代，代表了非常適合解決復(fù)雜電機(jī)控制問題的電力控制設(shè)備的基本功能。最新一代 IGBT 在特別極端的使用條件下，在開關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系，例如在汽車行業(yè)中使用逆變器來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的情況。一個(gè)例子是 STMicroelectronics 的 1,200-V IGBT S 系列。這些 IGBT 針對(duì)低頻使用（高達(dá) 8 kHz）進(jìn)行了優(yōu)化，其特點(diǎn)是 Vce(sat) 低。它基于第三代溝槽柵場(chǎng)截止技術(shù)。

碳化硅 (SiC) 器件在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中的使用代表了真正的創(chuàng)新時(shí)刻，這要?dú)w功于節(jié)能、尺寸減小、高集成度和可靠性等特性，所有這些特性在以下應(yīng)用中都特別敏感：汽車和工業(yè)自動(dòng)化控制。這些器件將快速硅基技術(shù)與 SiC 二極管相結(jié)合，形成了一種混合技術(shù)解決方案。例如，英飛凌已生產(chǎn)集成功率器件，作為 CoolSiC 組件系列的一部分（圖 3）。

文章來源：eewebMaurizio Di Paolo Emilio

編輯：ymf