電機控制設(shè)計系列文章的第 1 部分首先介紹電機和控制器。

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

效率和能量轉(zhuǎn)換在電子設(shè)計中一直扮演著重要的角色，就電動機而言，轉(zhuǎn)換發(fā)生兩次：首先產(chǎn)生控制電機所需的電能，然后將電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動力. 消除電機產(chǎn)生的噪聲是電子設(shè)計人員在此類應(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)計階段提高效率的可能性。了解每種類型發(fā)動機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。

實際上，發(fā)動機由三部分組成：運動部分（一般是旋轉(zhuǎn)，但也有直線電機）、固定部分和產(chǎn)生電磁場的部分。這些部件分別稱為轉(zhuǎn)子、定子和開關(guān)。

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。這種相互作用會產(chǎn)生一個以 Nm 為單位的扭矩和一個速度（以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或 RPM 表示），通過它們可以識別電機的性能。

各種類型的電機通過產(chǎn)生磁場的方式相互區(qū)分：

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

無刷直流電機提供穩(wěn)健性和可靠性，并且易于構(gòu)建和控制。無刷直流電機是一種將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能的電動機。它使用磁場來產(chǎn)生運動。由永磁轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場定子組成，磁場由定子產(chǎn)生。小功率電機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中的專用繞組產(chǎn)生，也稱為繞組磁場。動力通過旋轉(zhuǎn)收集器和電刷傳送到轉(zhuǎn)子。

直流電機不需要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(dǎo)致較低的機械阻力，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的需要。

在直流電機中，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)動器進行最簡單的控制作用于電源電壓。電壓越高，轉(zhuǎn)數(shù)越高。驅(qū)動扭矩隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化。它們在動態(tài)建模中被大量使用。

在交流電機中，磁場的產(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)子由一個電路組成，該電路由兩端的兩個環(huán)和連接它們的桿組成，這些桿均基于導(dǎo)電材料。所有交流電機一般無電刷運行；即，它們不需要滑動觸點來操作。

這兩種電機的主要區(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，沒有集電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，因為靠近集電器葉片。

交流電機有兩種類型：同步電機和異步電機。

同步電動機是一種由交流電驅(qū)動的電動機，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)動轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)頻率與作為電機中存在的極擴展數(shù)的函數(shù)的電源頻率相關(guān)。同步電機功率因數(shù)可調(diào)，應(yīng)用大型同步電機可提高運行效率，無需調(diào)速。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(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。在三相電機中，極性膨脹是三的倍數(shù)。異步電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。它們還滿足工業(yè)和農(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）

步進電機是同步脈沖直流電機，采用無刷電子管理，可分步旋轉(zhuǎn)。步進電機與其他電機不同，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(zhuǎn)矩。這是在電機供電的情況下抵抗旋轉(zhuǎn)的扭矩。它通常相當(dāng)高，即使對于小型電機，這也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子靜止時“自鎖”。

在步進電機內(nèi)部，定子上有多個環(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)對應(yīng)于電氣連接的線圈組數(shù)。

步進電機有兩種類型：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

電機速度和方向的控制以使用中電機的運行模式為前提，并且根據(jù)電機的類型和不同的應(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(zhuǎn)、速度、扭轉(zhuǎn)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(shù)是數(shù)字信號處理器 (DSP)，它經(jīng)歷了一次演變，導(dǎo)致了各種解決方案的實現(xiàn)。一個例子是 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)字信號控制器 (DSC)，其中包含創(chuàng)新的電機控制 PWM 外設(shè)，包括互補波形、專用時基、和快速 12 位 ADC。

IGBT 現(xiàn)在已進入第三代，代表了非常適合解決復(fù)雜電機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 Vce(sat) 低。它基于第三代溝槽柵場截止技術(shù)。

碳化硅 (SiC) 器件在電機控制和電力控制應(yīng)用中的使用代表了真正的創(chuàng)新時刻，這要歸功于節(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