电机控制设计：电机和控制器简介

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特约作家

电动机消耗了全球近一半的电力。事实上，它们为当今的大部分设备提供了必要的驱动力。从小型消费品到大型工业机器，电机、泵和风扇的产品范围越来越广。

效率和能量的转换在电子设计中一直扮演着重要的角色，在电动机的情况下，转换发生了两次：首先产生控制电动机所需的电能，然后将电能转化为驱动力. 消除电机产生的噪声是电子设计人员在此类应用中必须面对的最常见问题之一。

类型学

发动机控制提供了在设计阶段提高效率的可能性。了解每种类型引擎的控制需求以及最适合给定应用程序的样式有助于确保在任何情况下都具有更高的效率。

在实践中，发动机由三部分组成：运动的部分（通常是旋转的，但也有直线电机）、固定的部分和产生电磁场的部分。这些部件分别称为转子、定子和开关。

所有电动机的工作都归功于磁场和电流之间相互作用的相同物理原理。这种相互作用会产生以 Nm 为单位的扭矩和速度（以每分钟转数或 RPM 表示），通过它来识别电机的性能。

不同类型的电机通过产生磁场的方式相互区分：

连续电机 (DC)：静磁场，由磁铁或定子中的绕组产生；旋转转子中的绕组。

交流电机 (AC)：动态场，由电流产生的场与转子之间的相互作用产生。

步进电机：这些电机使用一系列电脉冲来旋转电机轴。

无刷直流电机提供稳健性和可靠性，并且易于构建和控制。无刷直流电机是将直流电能转换为机械能的电动机。它使用磁场来产生运动。由永磁转子和旋转磁场定子组成，磁场由定子产生。磁铁在低功率电机中可以是永久性的（例如铁氧体），并且由中功率和高功率电机中的专用绕组产生，也称为绕线磁场。通过旋转的集电器和刷子将动力传送到转子。

直流电机无需接触电机轴上的滑动电触点（电刷）即可工作。定子绕组中电流的切换以及由它们产生的磁场方向的变化以电子方式发生。这导致较低的机械阻力，消除了随着转速增加而形成火花的可能性，并大大减少了定期维护的需要。

在直流电机中，产生的扭矩与通过转子绕组的电流成正比。通过直流驱动器进行的最简单控制作用于电源电压。电压越高，转数越高。驱动扭矩随着发动机转速的变化而变化。它们在动态建模中被大量使用。

在交流电动机中，磁场的产生是从定子电流与转子中产生的电流之间的角速度差获得的。转子由一个电路组成，该电路由两端的两个环和连接它们的条组成，它们都基于导电材料。所有的交流电机一般都是无刷运行的；即，它们不需要滑动触点来操作。

两种电机的主要区别在于速度控制。直流电机的速度是通过改变电枢绕组的电流来控制的，而交流电机的速度是通过改变频率来控制的，这通常发生在可调频率控制中。

此外，没有收集器允许交流电机达到比直流电机更高的速度，并且可以提供高电压，这在直流电机中是不可能的，因为靠近收集器叶片。

交流电机有两种类型：同步和异步。

同步电动机是一种由交流电驱动的电动机，其转动周期与电源电压的频率同步，通常为三相。它由一个转子（与轴集成的旋转部件）和一个带有绕组或线圈的定子组成，转子上有几个由直流供电的永磁体或电磁体产生的交替极性的磁极。当前的。

定子的极性膨胀产生驱动转子的旋转磁场。旋转频率与电源频率有关，它是电机中存在的极性扩展数的函数。同步电机的功率因数可以调节，大型同步电机的应用无需调速即可提高运行效率。近年来，小型同步电机越来越多地用于调速系统。

异步电动机是一种交流电驱动的电动机，其旋转频率与50/60Hz不成正比；即，它不是与它“同步”的。因此，它不同于同步电机。在三相电机中，极性扩展是三的倍数。异步电动机具有更高的运行效率和更好的运行特性，从满载范围接近恒速运行。它们还满足工农业机械中的大部分传动要求。

图 1：直流电机的功能（图片：Magnetic Innovations）

步进电机是一种带无刷电子管理的同步脉冲直流电动机，可将其旋转分步。步进电机是一种电机，与所有其他电机不同，其目标是将轴保持在稳定位置。如果它们只是简单地通电，它们只会停在一个非常精确的位置。 

步进电机在低角速度下具有高扭矩。这对于以最大速度加速有效载荷很有用。此外，步进电机具有高保持转矩。这是在电机驱动的情况下与旋转相反的扭矩。它通常很高，即使对于小型电机，当转子静止时也会导致“自锁”。

在步进电机内部，有几个绕组/线圈呈圆形排列在定子上，它们像电磁铁一样工作。制造商声明的相数对应于电气连接线圈的组数。

步进电机有两种类型：5 到 6 线的单极和 4 线的双极。两种类型的区别在于电磁铁的连接方式。还有混合动力发动机可以在单极和双极模式下工作，使用不同的电机电缆（图 2）。

图 2：步进电机及其控制器（图片：Microchip）

控制器

电机的速度和方向的控制以电机在使用中的运行方式为前提，并且根据电机的类型和不同的应用要求需要不同的技术和电路。

电机控制器的目的是能够手动或自动对电机进行操作（启停、提前反转、速度、扭转和电压过载保护）。

电动机的控制需要电子电路，直到几年前，由于涉及的电压和电流，这些电路都是用分立元件制成的。发动机控制处于研发活动的最前沿，以在两个层面上实现高效的微电子解决方案：计算软件和电力电子。

在计算层面，过去流行的技术是数字信号处理器 (DSP)，它经历了演变，导致了各种解决方案的实现。一个例子是 Microchip Technology 广泛的低成本 8 位 PIC 和 AVR MCU 产品线，以及包含创新电机控制 PWM 外设的高性能 16 位 dsPIC 数字信号控制器 (DSC)，包括互补波形、专用时基、和快速的 12 位 ADC。

IGBT 现在已经是第三代，代表了电力控制设备的基本功能，非常适合解决复杂的电机控制问题。在特别极端的使用条件下，最新一代的 IGBT 在开关速度和行为稳定性之间建立了良好的关系，例如在汽车领域实施逆变器来驱动电动机的情况。一个例子是 STMicroelectronics 的 1,200-V IGBT S 系列。这些 IGBT 针对低频使用（高达 8 kHz）进行了优化，其特点是低 Vce(sat)。它基于第三代沟槽栅场终止技术。

碳化硅 (SiC) 器件在电机控制和电力控制应用中的使用代表了真正的创新时刻，这要归功于节能、减小尺寸、高集成度和可靠性等特性，所有这些在以下应用中都特别敏感汽车和工业自动化控制。这些器件将快速硅基技术与 SiC 二极管技术相结合，形成了一种混合技术解决方案。例如，英飞凌已生产集成功率器件，作为称为 CoolSiC 的组件系列的一部分（图 3）。

图 3：用于 7.5 kW 的 CoolSiC MOSFET 电机驱动评估板（图片：英飞凌科技）

结论

电机特性，无论是直流、交流还是步进电机，都将决定电机驱动器的设计。

有助于定义有刷直流电机驱动设计的主要因素是其优点，包括结构简单、易于驱动和速度控制以及高启动扭矩。通过改变电源电流或电压，可以很容易地实现它们的速度控制。

步进电机可以通过非常简单的控制系统实现非常精确的定位。它们用于自动化、机器人和计算机外围设备（打印机、绘图仪等）。

交流异步电机，尤其是三相电机，在工业中得到广泛应用，因为它们可以直接从电网供电，并且坚固、可靠且经济。然而，它们的使用仅限于最简单的动作，因为它们难以控制并且启动性能差。

要为应用选择最佳电机，最重要的是，有必要确定负载在不同速度和使用条件（最坏情况）下产生的阻力矩。必须计算阻力矩，同时考虑到系统在加速和减速过程中对电机的静态和动态摩擦以及惯性。一旦知道不同转速下的转矩阻力，就可以选择转矩曲线高于负载转矩曲线的电机。

审核编辑 黄昊宇