有關(guān)電動機控制設(shè)計的系列文章中的第1部分首先介紹了電動機和控制器。

電動機消耗了全世界發(fā)電量的幾乎一半。實際上，它們?yōu)楫?dāng)今的大多數(shù)設(shè)備提供了必要的驅(qū)動力。從小型消費品到大型工業(yè)機器，電機，泵和風(fēng)扇存在于越來越廣泛的產(chǎn)品中。

效率和能量轉(zhuǎn)換在電子設(shè)計中一直起著重要作用，就電動機而言，轉(zhuǎn)換發(fā)生兩次：首先產(chǎn)生控制電動機所需的電力，然后將電力轉(zhuǎn)換成驅(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)用中必須面對的最常見問題之一。

類型學(xué)

引擎控制提供了在設(shè)計階段提高效率的可能性。了解每種引擎的控制需求以及最適合給定應(yīng)用程序的樣式可以幫助確保在任何情況下均具有更高的效率。

實際上，發(fā)動機由三部分組成：運動的部分（通常會旋轉(zhuǎn)，但也有線性電動機），固定的部分和產(chǎn)生電磁場的部分。這些部分分別稱為轉(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。這種相互作用產(chǎn)生了以Nm為單位的轉(zhuǎn)矩和速度（以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或RPM表示），通過該轉(zhuǎn)矩可以識別電動機的性能。

通過產(chǎn)生磁場的方式將各種類型的電動機彼此區(qū)分開：

連續(xù)電動機（DC）：由磁體或定子繞組產(chǎn)生的靜磁場；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子中的繞組。

交流電動機（AC）：動態(tài)磁場，由電流和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁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。

無刷直流電動機具有魯棒性和可靠性，并且易于構(gòu)建和控制。無刷直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。它使用磁場產(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。磁體在低功率電動機中可以是永久性的（例如，鐵氧體），并由中功率和高功率電動機中的專用繞組產(chǎn)生，也稱為纏繞磁場。動力通過旋轉(zhuǎn)的集電器和電刷傳遞給轉(zhuǎn)子。

直流電動機無需接觸電動機軸上的滑動電觸點（電刷）即可起作用。定子繞組中電流的切換以及由定子繞組產(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。

在直流電動機中，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與流經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組的電流成比例。通過直流驅(qū)動器的最簡單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。

在交流電動機中，磁場的產(chǎn)生是由定子電流與轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的定子電流之間的角速度之差獲得的。轉(zhuǎn)子由電路組成，該電路包括兩個端部環(huán)和連接它們的桿，這些環(huán)均基于導(dǎo)電材料。所有交流電動機通常都運行時不帶電刷。也就是說，它們不需要滑動觸點即可操作。

兩種類型的電動機之間的主要區(qū)別在于速度控制。直流電動機的速度是通過改變電樞繞組的電流來控制的，而交流電動機的速度是通過改變頻率來控制的，這通常是通過可調(diào)頻率控制來實現(xiàn)的。

此外，由于沒有集電器，因此交流電動機的轉(zhuǎn)速高于直流電動機的轉(zhuǎn)速，并可以提供高電壓，這在直流電動機中由于集電葉片的靠近是不可能的。

交流電動機有兩種類型：同步電動機和異步電動機。

同步電動機是一種由交流電驅(qū)動的電動機，其中旋轉(zhuǎn)周期與電源電壓的頻率（通常為三相）同步。它由一個轉(zhuǎn)子（與軸集成為一體的旋轉(zhuǎn)部件）組成，在該轉(zhuǎn)子上有多個由直流電驅(qū)動的永磁體或電磁體產(chǎn)生的具有交替極性的磁極，以及一個帶有繞組或線圈的定子，定子帶有交流電當(dāng)前的。

定子的極膨脹產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子。旋轉(zhuǎn)頻率與電源頻率有關(guān)，該頻率是電動機中存在的極坐標擴展數(shù)的函數(shù)?？梢哉{(diào)節(jié)同步電動機的功率因數(shù)，而大型同步電動機的應(yīng)用可以提高運行效率，而無需進行速度調(diào)節(jié)。近年來，小型同步電動機已越來越多地用于速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。

異步電動機是一種由交流電驅(qū)動的電動機，其旋轉(zhuǎn)頻率與50/60 Hz不成正比。即，它與它“不同步”。因此，它不同于同步電動機。在三相電動機中，極膨脹是三的倍數(shù)。從全負載范圍到恒速運行，異步電動機具有更高的運行效率和更好的運行特性。它們還滿足工業(yè)和農(nóng)業(yè)機械中的大多數(shù)傳動要求。

圖1：直流電動機的功能（圖片：Magnetic Innovations）

步進電動機是具有無刷電子管理功能的同步脈沖直流電動機，可以將其旋轉(zhuǎn)分為多個步驟。步進電機是與其他電機不同的電機，其目的是將軸保持在穩(wěn)定的位置。如果簡單地為其供電，則它們只會停在非常精確的位置。

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負載很有用。而且，步進電動機具有高的保持轉(zhuǎn)矩。這是在電動機供電的情況下抵抗旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩。它通常很高，即使是小型電動機，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時也會導(dǎo)致“自鎖”。

在步進電機內(nèi)部，有多個繞組/線圈在定子上圓形排列，它們像電磁鐵一樣工作。制造商聲明的相數(shù)對應(yīng)于電連接線圈的組數(shù)。

步進電機有兩種類型：單極有五到六線，而雙極有四線。兩種類型的區(qū)別在于電磁體的連接方式。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

電動機速度和方向的控制以所用電動機的工作模式為前提，并且取決于電動機的類型和不同的應(yīng)用要求，需要使用不同的技術(shù)和電路。

電動機控制器的目的是能夠手動或自動作用在電動機上（起停，超前反轉(zhuǎn)，速度，扭轉(zhuǎn)和防止電壓過載的功能）。

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，這些電子電路還是由分立元件制成的。發(fā)動機控制處于研發(fā)活動的最前沿，可在兩個層面上實現(xiàn)高效的微電子解決方案：計算軟件和電力電子。

在過去的計算水平上，主要的技術(shù)是數(shù)字信號處理器（DSP），該技術(shù)經(jīng)歷了演變，最終實現(xiàn)了各種解決方案。一個例子是Microchip Technology的廣泛系列的低成本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，和快速的12位ADC。

現(xiàn)在已經(jīng)是第三代的IGBT代表了電力控制設(shè)備的基本功能，非常適合解決復(fù)雜的電動機控制問題。最新一代的IGBT在極端極端的使用條件下（例如在汽車領(lǐng)域中采用逆變器來驅(qū)動電動機的情況下）已在開關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了極好的關(guān)系。一個示例是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的1,200V IGBT S系列。這些IGBT經(jīng)過優(yōu)化，適用于低頻使用（高達8 kHz），其特征在于Vce（sat）低。它基于第三代溝槽柵極場停止技術(shù)。

由于具有節(jié)能，尺寸減小，高集成度和可靠性等特性，在電機控制和電力控制應(yīng)用中使用碳化硅（SiC）器件代表了創(chuàng)新的現(xiàn)實時刻，所有這些特性在諸如以下的應(yīng)用中特別敏感汽車和工業(yè)自動化控制。這些設(shè)備將快速的基于硅的技術(shù)與SiC二極管相結(jié)合，從而形成了混合技術(shù)解決方案。例如，英飛凌已經(jīng)生產(chǎn)了集成功率器件，作為稱為CoolSiC的組件系列的一部分（圖3）。

圖3：7.5 kW的CoolSiC MOSFET電機驅(qū)動評估板（圖片：英飛凌科技）

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