電機控制設計系列文章的第 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，它們為當今的大部分設備提供了必要的驅動力。電機、泵和風扇出現在越來越廣泛的產品中，從小型消費品到大型工業機器。

效率和能量轉換在電子設計中一直扮演著重要的角色，就電動機而言，轉換發生兩次：首先產生控制電機所需的電能，然后將電能轉化為驅動力. 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臨的最常見問題之一。

類型

引擎控制提供了在設計階段提高效率的可能性。了解每種類型發動機的控制需求以及哪種類型最適合給定的應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，發動機由三部分組成：運動部分（一般是旋轉，但也有直線電機）、固定部分和產生電磁場的部分。這些部件分別稱為轉子、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。這種相互作用會產生一個以 Nm 為單位的扭矩和一個速度（以每分鐘轉數或 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生磁場的方式相互區分：

• 連續電機 (DC)：由磁鐵或定子繞組產生的靜磁場；旋轉轉子中的繞組。
• 交流電機 (AC)：動態場，由電流和轉子產生的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。

無刷直流電機提供穩健性和可靠性，并且易于構建和控制。無刷直流電機是一種將直流電能轉化為機械能的電動機。它使用磁場來產生運動。由永磁轉子和旋轉磁場定子組成，磁場由定子產生。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生，也稱為繞組磁場。動力通過旋轉收集器和電刷傳送到轉子。

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生的磁場方向的變化以電子方式發生。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，產生的扭矩與通過轉子繞組的電流成正比。通過直流驅動器進行最簡單的控制作用于電源電壓。電壓越高，轉數越高。驅動扭矩隨著發動機轉速的變化而變化。它們在動態建模中被大量使用。

在交流電機中，磁場的產生是通過定子電流和轉子中產生的電流之間的角速度差異獲得的。轉子由一個電路組成，該電路由兩端的兩個環和連接它們的桿組成，這些桿均基于導電材料。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，這通常發生在可調頻率控制中。

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動的電動機，其旋轉周期與電源電壓的頻率同步，通常為三相。它由一個轉子（與軸集成在一起的旋轉部分）組成，轉子上有幾個由永磁體或由直流供電的電磁體產生的交替極性的磁極，以及一個帶有繞組或線圈的定子，由交流供電當前的。

定子的極地膨脹產生驅動轉子的旋轉磁場。旋轉頻率與作為電機中存在的極擴展數的函數的電源頻率相關。同步電機功率因數可調，應用大型同步電機可提高運行效率，無需調速。近年來，小型同步電機越來越多地用于調速系統。

異步電動機是一種交流電驅動的電動機，其旋轉頻率與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。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。它們還滿足工業和農業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。步進電機與其他電機不同，其目的是將軸保持在穩定位置。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矩。這是在電機供電的情況下抵抗旋轉的扭矩。它通常相當高，即使對于小型電機，這也會導致轉子靜止時“自鎖”。

在步進電機內部，定子上有多個環形排列的繞組/線圈，它們像電磁鐵一樣工作。制造商聲明的相數對應于電氣連接的線圈組數。

步進電機有兩種類型：五到六線的單極和四線的雙極。兩種類型之間的區別在于電磁鐵的連接方式。還有一些混合動力發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，由于所涉及的電壓和電流，這些電路還是由分立元件制成。發動機控制處于研發活動的最前沿，以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。

在計算層面，過去流行的技術是數字信號處理器 (DSP)，它經歷了一次演變，導致了各種解決方案的實現。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 數字信號控制器 (DSC)，其中包含創新的電機控制 PWM 外設，包括互補波形、專用時基、和快速 12 位 ADC。

IGBT 現在已進入第三代，代表了非常適合解決復雜電機控制問題的電力控制設備的基本功能。最新一代 IGBT 在特別極端的使用條件下，在開關速度和行為穩定性之間建立了良好的關系，例如在汽車行業中使用逆變器來驅動電動機的情況。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）進行了優化，其特點是 Vce(sat) 低。它基于第三代溝槽柵場截止技術。

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新時刻，這要歸功于節能、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用中都特別敏感：汽車和工業自動化控制。這些器件將快速硅基技術與 SiC 二極管相結合，形成了一種混合技術解決方案。例如，英飛凌已生產集成功率器件，作為 CoolSiC 組件系列的一部分（圖 3）。

文章來源：eewebMaurizio Di Paolo Emilio

編輯：ymf