电机控制系统设计的解决方案及组件介绍

广泛应用的电动机消耗的电能占所有电能的一半以上，严格的法规正在重新引起人们对其设计的关注。将控制器集成到许多电机应用中将提供一定程度的节能并有助于显着降低工业运营成本。在选择更高效的电机系统设计的组件时，功率处理，功耗和温度规格是重要的考虑因素。

此外，性能和小型化方面的进步有助于增强集成解决方案，从而提高电机功率输出并更有效地利用系统设计布局空间。为了加快开发过程，许多OEM更倾向于为电机驱动器，控制器，智能电机，轴承和齿轮提供一站式解决方案。选择Bourns®组件可满足低功耗，节省空间和成本效益的要求，满足这一需求。

本文介绍了有关电机驱动设计的电流检测电阻的信息，并介绍了一个完整的电机系统，其中包含用于电源，电路保护和控制面板调整的附加组件。

电机技术简介

电机的基本用途是将电能转换为机械能，并且有许多类型的电机可以实现这一目标。电机类型的一个主要区别是使用交流电（AC）或直流电（DC）。交流电机通过驱动器中的相数进一步区分。罩极，交流感应和通用电机通常使用单相交流驱动器。这些适用于电器，泵，风扇和固定电动工具。多相交流变频器更适用于需要低成本，长寿命和高效率的交流多相感应鼠笼式电动机，适用于泵，风机，鼓风机，输送机和压缩机。多相交流电还用于更昂贵的交流同步电动机，它没有滑差，可用于时钟，音频应用和工业设备。直流电动机通常提供简单的速度控制或精确定位，但通常成本高于交流电动机。

到目前为止，最流行的类型是交流感应电机，与其他电机类型相比，它更具成本效益。不幸的是，感应电动机也是最低效的。将可变频率驱动器添加到感应电动机设计允许通过调节所传递的功率来调节电动机的速度。变频器可以具有有源前端，这在交流变频器市场中具有相关性，新的重点在于降低无功功率以及由于能量成本的上升。有源前端将三相交流电源转换为直流电源，采用IGBT技术控制直流电流。除了省电之外的优点还包括提高性能，减少转矩脉动，电源再生，功率因数校正和消除谐波。

电机系统的各个部分

电机，电机驱动器和电机控制器单元通常是分开的，尽管客户开始要求集成解决方案。这些单元中的每一个都具有系统内的独特功能，如图1所示。该驱动器产生波形信号的功率转换，放大和排序。它提供电机与其控制器之间的接口。驱动器必须与控制器的电压电平和功率电平以及电机的信号类型相匹配才能驱动它。离电机更远一点，电机控制器接收电源电压并向电机驱动器提供信号。

图1：电机系统图。

由于电机驱动的基本功能是作为电机和控制器之间的接口，因此驱动器必须准确地转换控制器的输入。电流检测是用于该任务的常用方法。然后产生电压信号，该电压信号对应于在电路中的特定点处流动的电流。电流检测用于从驱动器向控制器提供电流信息，并检测可能出现的任何过电流或短路情况。对于5.5kW以下的电路，电流检测电阻通常足以提供电流测量。然而，较高功率系统将主要使用电流传感器或IGBT模块，因为它们提供超过5.5kW的功率损耗和效率。

选择电流检测电阻

电流检测电阻的选择标准包括：

低电阻值，以最大限度地降低功耗

由于电流随时间的高变化而导致的低电感

初始电阻值的严格公差

低温度系数电阻（TCR）的精度

所有材料在温度变化时都会遇到电阻率的独特变化，因此TCR是电机的重要因素。高温额定值对可靠性很重要。高峰值额定功率对于确保电阻器可以在短时间内处理高电流脉冲也很重要。

Bourns电机驱动解决方案

对于各种类型的电机和每个包含的单元，Bourns提供适合每个部分的电阻器。例如，在AC感应电动机驱动控制中，需要三相逆变器来控制电动机。作为闭环系统，通过使用传感器（例如用于每相的霍尔效应传感器）或电流感测电阻器来提供没有传感器的电流反馈，需要转子反馈。对于中功率电机应用，离散分流电阻的功率损耗限制了它们的效率。作为分立电阻器的替代，使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块。对于电流检测，IGBT模块具有集成的分流电阻，可提供精确的测量并且具有成本效益。金属条Bourns SMD产品可提供额定功率高达3 W的功率。 Bourns的CRA系列，Bourns的PWR4412等露天分流器或Bourns的PWR4413用于使用电流检测电阻的IGBT逆变器。另外，由二极管，电容器和外部电阻组成的缓冲电路用于限制IGBT开关过冲。厚膜无感电阻器的功率高达35 W，包括采用DPAK封装的Bourns的PWR163和PWR263以及采用TO-220封装的Bourns的PWR220T和PWR221T。

汽车，消费品，医疗和工业应用中使用的电机可能具有空间受限的要求。 Bourns拥有一系列电源和电流检测电阻，可满足设计人员的尺寸和功耗需求。诸如Bourns的CRA系列之类的电流检测电阻具有更高的功率和最低的表面温度。在某些情况下，需要并联放置多个片式电阻器，以便将功率分配给具有较低功率容量的更多电阻器，而不是使用单个大电阻器。这使表面温度保持低于使用单个电阻器。电路板的布局也会影响温度分布和性能，Bourns现场应用工程师（FAE）可以在设计过程中提供指导。

实施电机驱动解决方案

客户在电机驱动器设计中面临的挑战的一个例子是寻找表面贴装元件来取代通孔电阻器。这些表面贴装电流检测电阻器还必须能够处理高功率电平。在这种特殊情况下，Bourns的CRA2512电阻可用于提供从电阻到电路板的有效热传递，因此能够处理应用所需的功率。 CRA2512具有比其他竞争对手更高的功率处理能力，因为其终端上镀有镍锡。这提供了从电阻器到板的有效热传递。客户能够实现表面贴装设计，而无需增加电路板上的元件数量，从而在保持可靠性的同时实现成本和房地产目标。图2显示了如何将电阻器集成到电机驱动器设计中。

图2：电机驱动示意图。

电流检测电阻只是电机系统Bourns技术的一个例子。在整个电机系统中，Bourns技术可提供满足客户需求的解决方案，如图3所示。具有出色功率处理能力的功率电阻器，如Bourns的PWR2010，可提供小封装尺寸。 Bourns在内部进行测试，并提供可用于测试客户特定电力需求的设施。电位计用于控制单元的用户界面，例如用于手动调节速度或扭矩。 Bourns能够定制其电位计，以用于特定的系统规格，如轴长，衬套和许多其他功能。 Bourns还提供大量磁性元件，其电感器具有高额定功率且具有成本效益。这些部件通常用于电源，偶尔用于系统的电机控制和DC/DC转换部分。电位计，编码器或两者的组合用作从负载到控制单元的位置反馈传感器，并且修整器也可以在电机控制中找到。

除了单个组件外，系统通常还包括使用标准通信协议（如以太网，RS-485和CAN）的附加系统接口。这些接口需要保护以保持可靠的操作。 Bourns凭借其技术和支持，简化了浪涌和电源交叉保护的设计。为了最大限度地减少电路保护解决方案中的部件数量和协调，Bourns提供了一种可用于各种解决方案的电子限流器（ECL）。除了FAE提供的详细支持外，Bourns还提供单页PortNote®解决方案，为各种通信协议提供电路保护设计示例。有效电路保护解决方案的附加组件包括TVS二极管，Bourns的Multifuse®聚合物正温度系数（PTC）器件和Bourns的SinglFuse™薄膜芯片保险丝。

图3：电机系统中的组件。