電機在工廠中最常見的用途是泵、風扇、壓縮機、 以及大多數電機的輸送機作為標準目錄提供 產品。用于小型機器和電器的小型電機（0.75 kW以下） 占全球總存量的90%，但占電機能量的不到10% 消費。但是，中型（0.75 kW 至 350 kW）工業電機 占世界電機能耗的近70%。在一個 典型應用，僅消耗系統50%的電能 轉化為有用的機械能，這引起了人們的注意 世界各地的能源監管機構和工廠運營商。監管 美國、中國、歐洲和其他地方的機構已經推出了 過去最低能源績效標準 （MEPS） 年。優質電機額定效率水平現在范圍從 80% 到 在最大的電機中，最低功率范圍為 96%，因此工廠操作員 超越電機，確保節能。

圖 1 描述了自動化機器或流程中的主要元素 在現代工廠中找到。此方法提供了一種新的優化功能 機器和流程的運行，以增加新的效率水平 在能源和生產力方面。

圖1.自動化機器控制需要多個反饋控制回路以及電源逆變器、控制和通信電路之間的安全隔離柵。

有多個控制層決定了電機的效率 以及整個生產過程。第一控制層調節功率 逆變器開關順序，用于控制電機電壓和電流 作為扭矩生產效率的最大化。接下來是位置和速度 高效操作機器的控制器。在工藝設備中，這 可以在自動化設備中驅動最佳泵流量 這可以是一系列速度或位置命令來執行 組裝功能。在后一種情況下，速度控制的響應時間 對機器控制器來說可能比扭矩效率更關鍵 生產。通信和系統層的重要性與日俱增 由于多個電機現在通過高速數據網絡同步， 也連接到工廠網絡。流程經理可以啟動機器 根據需要按順序排列，而不是讓它們閑置等待 模式。聯網安全功能可實現設備的高效啟動和停止，從而最大限度地減少停機時間。工廠經理跟蹤電機驅動運行情況 和診斷數據，以提高過程能源效率和可靠性。

高效扭矩產生：算法和以太網

電機效率是每安培產生的扭矩的函數，在任何 給定速度和終端電壓。電動機產生扭矩通過 傾向于將其內部磁場拉到對齊的力。在 圖2中的交流電機，這些力是通過 定子和轉子磁場。交流電機產生恒定扭矩 當定子電流與轉子運動同步時保持 連續場錯位。交流電機轉速直接關系 電機電流的頻率和速度控制需要變量 頻率電壓源。當有 最大轉子定子磁場未對準。電機效率還取決于 電機結構，特別是轉子磁場結構。異步中 感應電機 （AIM），電流在轉子和定子繞組中流動 磁芯磁化時會消耗一些最小定子電流。 永磁同步電機 （PMSM） 效率更高，因為 它們不需要任何電流來磁化轉子磁場。超高效率 內部永磁 （IPM） 電機產生額外的扭矩 憑借其突出的磁芯結構。

圖2.永磁同步電機和AIM電機具有相似的定子，但轉子磁場結構卻大不相同。

上述所有電機均用于工業，具體取決于功率和 應用要求，但異步感應電動機是迄今為止 最常見的是其結構簡單和易于使用。永久 磁同步電機具有更高的轉矩重量比和 低慣量轉子結構使其非常適合高動態控制 自動化設備。但是，AIM可以在連接時啟動 直接連接到三相交流線路，速度可以使用簡單的 變頻器。在今天關注效率之前，典型的是 將風扇、泵或壓縮機電機直接連接到交流線路和控制 該過程使用風門、閥門或簡單的開/關控制。開環 頻率控制將離心泵的功耗降至最低 以 20% 的速度運行時大于滿功率的 50%，而消耗 50% 的全功率，使用開/關控制將流量降低到 50%。這 系統效率的這種提高鼓勵工廠運營商 將逆變器改裝到現有的定速電機應用中。目前 先進的算法可以調整定子電壓以調節轉子磁場 并優化效率。驅動器制造商現在提供標準驅動器 可針對各種電機型號和類型配置的盒子。最新的模擬和數字信號處理設備使引入 先進的控制，甚至對成本敏感的逆變器應用。估計 算法根據定子電流計算轉子磁場的角位置 和單獨的電壓測量。這些無傳感器控制算法可輕松緩解 采用高效的IPM電機，以最大限度地提高工藝效率 壓縮機和輸送機等應用。更高功率的應用， 如繞線機或大型泵，仍傾向于使用感應 電機，但500千瓦電機的典型效率可高達96%。

這些驅動器通常包括優化電機效率的算法 并監控驅動器運行狀況。傳統上，這些驅動器具有串行現場總線 允許操作和診斷數據由 本地 PLC。一個不斷增長的趨勢是將驅動器連接到工廠網絡 使用工業以太網協議（如以太網/IP 或 Modbus TCP） 通過協調多個驅動器的運行來提高效率

高效的運動控制：精密隔離和 通信

運動控制和通信時序的精確結合 縮短機器生產周期并減少能耗 消耗來制造每個零件。這在自動化系統中至關重要 其中機器生產率和質量的權重通常高于 電機的能源效率，因為投入了設備的資金。 變頻器制造商通過 PMSM 服務支持自動化應用 電機和驅動器專為快速響應和高精度的速度而設計 和位置控制。與精密電壓耦合的快速控制處理器 驅動和電流反饋提供平穩的動態轉矩控制。這 逆變器中的高電壓和電流給 電路設計者認為隔離電路必須滿足嚴格的電氣要求 安全標準。高速磁隔離技術支持安全 隔離模擬和數字信號電壓，而不影響速度或 精度。編碼器中嵌入的精密模數轉換器 位置提供高達 24 位分辨率的位置反饋，使 在低至 1 RPM 的速度下實現高動態速度控制。此性能 水平儀支持自動化應用，如多軸精密銑削 機器零件、精細幾何集成電路的組裝或注塑 手機零件的成型。除了控制精度外，運動定時 的電機需要緊密同步，因為定時誤差會轉換 在多軸位置控制中直接進入軌跡誤差。同步 工業以太網協議，如PROFINET和EtherCat使用修改 以太網網絡接口，支持數據實時同步 時鐘抖動低至1 μs。這些網絡接口支持同步 提高生產效率和工廠網絡連接的運動控制 用于生產系統管理。

工程效率：快速定制

建模工具使驅動公司能夠快速定制控制算法 適用于無需大量試錯投資的最終應用 在工廠車間進行調整。

自動化機器是復雜的互連系統，需要 多學科工程團隊的支持。圖 3 僅說明了一些 支持自動化發展所需的關鍵設計功能 設備。通常，這些工程師中的許多人在不同的公司工作 因此，鏈條中的各種供應商必須支持設計師執行 整合工作。來自MathWorks等公司的建模工具支持 完整的系統模型，包括狀態控制、運動算法、電機、 和機器負載。專業的電磁和機械設計工具 生成交流電機和機器的行為模型，增加 系統模型的準確性。雖然完整的設計過程不能 完全自動化，可以大大減少原型構建的數量。在構建原型之前，可以在仿真平臺上開發和測試新電機或機器的控制算法。自動代碼 生成工具允許在測試中快速部署控制算法 平臺。每次設計迭代都會提供新數據以提高準確性 的系統模型。自動生成的控制代碼與 經過驗證的系統應用代碼可用于生產驅動系統。 因此，驅動公司可以快速部署優化的新控制功能 用于優化能源效率和自動化的特定應用 生產力。

圖3.需要各種各樣的工程工具來支持電機驅動和自動化系統設計。

結論

越來越多的工業和儀器儀表應用需要 精密轉換器，用于精確控制和測量各種過程。 此外，這些終端應用要求更高的靈活性， 可靠性和功能集，同時降低成本和電路板 面積。組件制造商正在應對這些挑戰并提供 多項產品可滿足系統設計人員對當前的需求 和未來的設計。從這篇文章中可以看出，有很多不同的 為精密應用選擇合適的組件的方法，每種 提供自己的相關缺點和好處。由于精度 系統增加，在選擇時需要額外考慮 適合應用需求的合適組件。

審核編輯：郭婷