作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約作家

電動(dòng)機(jī)消耗了全球近一半的電力。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。從小型消費(fèi)品到大型工業(yè)機(jī)器，電機(jī)、泵和風(fēng)扇的產(chǎn)品范圍越來(lái)越廣。

效率和能量的轉(zhuǎn)換在電子設(shè)計(jì)中一直扮演著重要的角色，在電動(dòng)機(jī)的情況下，轉(zhuǎn)換發(fā)生了兩次：首先產(chǎn)生控制電動(dòng)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)用中必須面對(duì)的最常見(jiàn)問(wèn)題之一。

類型學(xué)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制提供了在設(shè)計(jì)階段提高效率的可能性。了解每種類型引擎的控制需求以及最適合給定應(yīng)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(shí)踐中，發(fā)動(dòng)機(jī)由三部分組成：運(yùn)動(dòng)的部分（通常是旋轉(zhuǎn)的，但也有直線電機(jī)）、固定的部分和產(chǎn)生電磁場(chǎng)的部分。這些部件分別稱為轉(zhuǎn)子、定子和開(kāi)關(guān)。

所有電動(dòng)機(jī)的工作都?xì)w功于磁場(chǎng)和電流之間相互作用的相同物理原理。這種相互作用會(huì)產(chǎn)生以 Nm 為單位的扭矩和速度（以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或 RPM 表示），通過(guò)它來(lái)識(shí)別電機(jī)的性能。

不同類型的電機(jī)通過(guò)產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式相互區(qū)分：

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

交流電機(jī) (AC)：動(dòng)態(tài)場(chǎng)，由電流產(chǎn)生的場(chǎng)與轉(zhuǎn)子之間的相互作用產(chǎn)生。

步進(jìn)電機(jī)：這些電機(jī)使用一系列電脈沖來(lái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸。

無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。它使用磁場(chǎng)來(lái)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。磁鐵在低功率電機(jī)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(jī)中的專用繞組產(chǎn)生，也稱為繞線磁場(chǎng)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)的集電器和刷子將動(dòng)力傳送到轉(zhuǎn)子。

直流電機(jī)無(wú)需接觸電機(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(guò)轉(zhuǎn)子繞組的電流成正比。通過(guò)直流驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行的最簡(jiǎn)單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。

在交流電動(dòng)機(jī)中，磁場(chǎng)的產(chǎn)生是從定子電流與轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的電流之間的角速度差獲得的。轉(zhuǎn)子由一個(gè)電路組成，該電路由兩端的兩個(gè)環(huán)和連接它們的條組成，它們都基于導(dǎo)電材料。所有的交流電機(jī)一般都是無(wú)刷運(yùn)行的；即，它們不需要滑動(dòng)觸點(diǎn)來(lái)操作。

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(guò)改變電樞繞組的電流來(lái)控制的，而交流電機(jī)的速度是通過(guò)改變頻率來(lái)控制的，這通常發(fā)生在可調(diào)頻率控制中。

此外，沒(méi)有收集器允許交流電機(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占魅~片。

交流電機(jī)有兩種類型：同步和異步。

同步電動(dòng)機(jī)是一種由交流電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)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（與軸集成的旋轉(zhuǎn)部件）和一個(gè)帶有繞組或線圈的定子組成，轉(zhuǎn)子上有幾個(gè)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(dāng)前的。

定子的極性膨脹產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)頻率與電源頻率有關(guān)，它是電機(jī)中存在的極性擴(kuò)展數(shù)的函數(shù)。同步電機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，大型同步電機(jī)的應(yīng)用無(wú)需調(diào)速即可提高運(yùn)行效率。近年來(lái)，小型同步電機(jī)越來(lái)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，它不是與它“同步”的。因此，它不同于同步電機(jī)。在三相電機(jī)中，極性擴(kuò)展是三的倍數(shù)。異步電動(dòng)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)是一種帶無(wú)刷電子管理的同步脈沖直流電動(dòng)機(jī)，可將其旋轉(zhuǎn)分步。步進(jìn)電機(jī)是一種電機(jī)，與所有其他電機(jī)不同，其目標(biāo)是將軸保持在穩(wěn)定位置。如果它們只是簡(jiǎn)單地通電，它們只會(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)驅(qū)動(dòng)的情況下與旋轉(zhuǎn)相反的扭矩。它通常很高，即使對(duì)于小型電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)也會(huì)導(dǎo)致“自鎖”。

在步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，有幾個(gè)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(duì)應(yīng)于電氣連接線圈的組數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)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(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)的速度和方向的控制以電機(jī)在使用中的運(yùn)行方式為前提，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(guò)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(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(guò)去流行的技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，它經(jīng)歷了演變，導(dǎo)致了各種解決方案的實(shí)現(xiàn)。一個(gè)例子是 Microchip Technology 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(jī)控制 PWM 外設(shè)的高性能 16 位 dsPIC 數(shù)字信號(hào)控制器 (DSC)，包括互補(bǔ)波形、專用時(shí)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(shè)備的基本功能，非常適合解決復(fù)雜的電機(jī)控制問(wèn)題。在特別極端的使用條件下，最新一代的 IGBT 在開(kāi)關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系，例如在汽車領(lǐng)域?qū)嵤?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/逆變器/" target="_blank">逆變器來(lái)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)是低 Vce(sat)。它基于第三代溝槽柵場(chǎng)終止技術(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、減小尺寸、高集成度和可靠性等特性，所有這些在以下應(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 二極管技術(shù)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，作為稱為 CoolSiC 的組件系列的一部分（圖 3）。

圖 3：用于 7.5 kW 的 CoolSiC MOSFET 電機(jī)驅(qū)動(dòng)評(píng)估板（圖片：英飛凌科技）

結(jié)論

電機(jī)特性，無(wú)論是直流、交流還是步進(jìn)電機(jī)，都將決定電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。

有助于定義有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的主要因素是其優(yōu)點(diǎn)，包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于驅(qū)動(dòng)和速度控制以及高啟動(dòng)扭矩。通過(guò)改變電源電流或電壓，可以很容易地實(shí)現(xiàn)它們的速度控制。

步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)非常簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非常精確的定位。它們用于自動(dòng)化、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備（打印機(jī)、繪圖儀等）。

交流異步電機(jī)，尤其是三相電機(jī)，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯訌碾娋W(wǎng)供電，并且堅(jiān)固、可靠且經(jīng)濟(jì)。然而，它們的使用僅限于最簡(jiǎn)單的動(dòng)作，因?yàn)樗鼈冸y以控制并且啟動(dòng)性能差。

要為應(yīng)用選擇最佳電機(jī)，最重要的是，有必要確定負(fù)載在不同速度和使用條件（最壞情況）下產(chǎn)生的阻力矩。必須計(jì)算阻力矩，同時(shí)考慮到系統(tǒng)在加速和減速過(guò)程中對(duì)電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦以及慣性。一旦知道不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩阻力，就可以選擇轉(zhuǎn)矩曲線高于負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線的電機(jī)。

審核編輯 黃昊宇