電機(jī)消耗了全球近一半的電力,。事實(shí)上,，它們?yōu)楫?dāng)今大部分設(shè)備提供了必要的驅(qū)動力——從小型消費(fèi)品到大型工業(yè)機(jī)器,，電機(jī),、泵和風(fēng)扇的產(chǎn)品范圍越來越廣,。

效率和能量的轉(zhuǎn)換在電子設(shè)計中一直扮演著重要的角色,，在電機(jī)的情況下,，轉(zhuǎn)換發(fā)生了兩次：首先是產(chǎn)生控制電機(jī)所需的電能,，然后是將電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動力,。消除電機(jī)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

電機(jī)控制提供了在設(shè)計階段提高效率的可能。了解每種類型電機(jī)的控制需求,，以及最適合給定應(yīng)用的樣式,，有助于確保在任何情況下都具有更高的效率。

在實(shí)踐中,，電機(jī)由三個部分組成：運(yùn)動的部分(通常是旋轉(zhuǎn)的,，但也有直線電機(jī))、固定的部分和產(chǎn)生電磁場的部分,。這三個部分分別稱為轉(zhuǎn)子,、定子和換向器。

所有電機(jī)的工作都?xì)w功于磁場和電流之間相互作用的相同物理原理,。這種相互作用會產(chǎn)生以Nm為單位的扭矩和以rpm為單位的速度,，借此就可識別電機(jī)的性能。

不同類型的電機(jī)通過產(chǎn)生磁場的方式相互區(qū)分：

連續(xù)電機(jī)(DC)：靜磁場,，由磁鐵或定子繞組產(chǎn)生,；使轉(zhuǎn)子中的繞組旋轉(zhuǎn)。

交流電機(jī)(AC)：動磁場,，由電流產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子之間的相互作用產(chǎn)生,。

步進(jìn)電機(jī)：這類電機(jī)使用一系列電脈沖來使電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。

直流電機(jī)具有魯棒性和可靠性,，并且易于構(gòu)建和控制,。直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電機(jī)。它使用磁場來產(chǎn)生運(yùn)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。磁鐵在小功率電機(jī)中可以是永久性的(例如鐵氧體),，在中功率和大功率電機(jī)中則由專用繞組產(chǎn)生,，也稱為繞線磁場。電能通過旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)和電刷傳送到轉(zhuǎn)子(圖1),。

無刷直流電機(jī)無需接觸電機(jī)軸上的滑動電觸點(diǎn)(電刷)即可工作,。定子繞組中電流的切換，以及由此產(chǎn)生的磁場方向的變化,，以電子方式發(fā)生,。這就會產(chǎn)生較低的機(jī)械阻力，消除隨著轉(zhuǎn)速增加而形成火花的可能性,，并大大減少定期維護(hù)的需要,。

在直流電機(jī)中,，產(chǎn)生的扭矩與通過轉(zhuǎn)子繞組的電流成正比,。通過直流驅(qū)動器進(jìn)行的最簡單的控制，作用于電源電壓,。電壓越高,，轉(zhuǎn)數(shù)就越高,。驅(qū)動扭矩隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。它們在動態(tài)建模中受到大量使用,。

在交流電機(jī)中,，磁場的產(chǎn)生是由于定子電流與轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的電流之間存在角速度差。轉(zhuǎn)子電路由兩端的兩個環(huán)和連接它們的條組成,，它們都采用導(dǎo)電材料制作,。所有的交流電機(jī)一般都沒有電刷，也就是說,，它們不需要滑動觸點(diǎn)來工作,。

兩種電機(jī)的主要區(qū)別在于速度控制。直流電機(jī)的速度是通過改變電樞繞組的電流來控制的,，而交流電機(jī)的速度則是通過改變頻率來控制的,。

此外，由于沒有集電環(huán),，交流電機(jī)可達(dá)到比直流電機(jī)更高的速度,，并且可以使用高電壓供電，這在直流電機(jī)中是不可能的,，因為集電環(huán)葉片彼此靠近,。

交流電機(jī)有兩種類型：同步和異步。同步電機(jī)是一種由交流電驅(qū)動的電機(jī),，其轉(zhuǎn)動周期與電源電壓的頻率同步,，通常為三相。它由一個轉(zhuǎn)子(與軸集成在一起的旋轉(zhuǎn)部件,，其上有幾個由永磁體或直流供電電磁體產(chǎn)生的交替極性的磁極)和一個帶有繞組或線圈(交流供電)的定子組成,。

定子的磁極擴(kuò)展會產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)頻率與電源頻率有關(guān),，它是電機(jī)中存在的磁極擴(kuò)展數(shù)的函數(shù),。同步電機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，大型同步電機(jī)的應(yīng)用無需調(diào)速即可提高運(yùn)行效率,。近年來,，小型同步電機(jī)越來越多地用于調(diào)速系統(tǒng)。

異步電機(jī)是一種交流電驅(qū)動的電機(jī),，其旋轉(zhuǎn)頻率與50/60Hz頻率不成正比,，也就是說，這兩者不是“同步”的,。因此,，它不同于同步電機(jī)。在三相電機(jī)中，磁極擴(kuò)展是3的倍數(shù),。異步電機(jī)具有更高的運(yùn)行效率和更好的運(yùn)行特性,，從滿載范圍接近恒速運(yùn)行。它們還能滿足工農(nóng)業(yè)機(jī)械中的大部分傳動要求,。

圖1：直流電機(jī)的功能,。(圖片來源：Magnetic Innovations)

步進(jìn)電機(jī)是一種帶無刷電子管理的同步脈沖直流電機(jī)，因此可將其旋轉(zhuǎn)分步,。與所有其他電機(jī)不同,，步進(jìn)電機(jī)的目標(biāo)是將軸保持在穩(wěn)定位置。如果只是對其簡單地通電,，這種電機(jī)只會停在一個非常精確的位置,。

步進(jìn)電機(jī)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就很有用,。此外,，步進(jìn)電機(jī)具有高保持扭矩，這是在驅(qū)動電機(jī)的情況下與旋轉(zhuǎn)相反的扭矩,。它通常很高,，即使對于小型電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時也會引起“自鎖”,。

在步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部,，有幾個繞組/線圈呈圓形排列在定子上，它們像電磁鐵一樣工作,。制造商聲明的相數(shù)對應(yīng)于電氣連接線圈的組數(shù),。

步進(jìn)電機(jī)有兩種類型：5到6線的單極和4線的雙極。這兩種類型的區(qū)別在于電磁鐵的連接方式,。還有混合動力發(fā)動機(jī)可以使用不同的電機(jī)電纜以單極和雙極兩種模式工作(圖2),。

圖2：步進(jìn)電機(jī)及其控制器。(圖片來源：Microchip)

控制器

電機(jī)的速度和方向控制以電機(jī)在使用中的運(yùn)行模式為前提,，根據(jù)電機(jī)的類型和不同的應(yīng)用要求需要不同的技術(shù)和電路,。

電機(jī)控制器的目的是能夠手動或自動對電機(jī)進(jìn)行操作(啟停、提前反轉(zhuǎn),、速度,、扭轉(zhuǎn)和電壓過載保護(hù))。

電機(jī)的控制需要電子電路,，直到幾年前,，由于涉及的電壓和電流，這些電路都是用分立元件制成的,。電機(jī)控制處于研發(fā)活動的最前沿,，以在兩個層面上實(shí)現(xiàn)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(shù)是數(shù)字信號處理器(DSP),，后來經(jīng)歷演變，導(dǎo)致了各種解決方案的出現(xiàn),。一個例子是Microchip公司廣泛的低成本8位PIC和AVR MCU產(chǎn)品線,，以及包含創(chuàng)新電機(jī)控制PWM外設(shè)——包括互補(bǔ)波形、專用時基和快速12位ADC——的高性能16位dsPIC數(shù)字信號控制器(DSC),。

IGBT現(xiàn)在已經(jīng)是第三代,，它代表了電力控制器件的基本功能，非常適合解決復(fù)雜的電機(jī)控制問題,。在特別極端的使用條件下,，最新一代的IGBT在開關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了良好的關(guān)系，例如在汽車領(lǐng)域?qū)嵤┠孀兤鱽眚?qū)動電機(jī)的情況,。一個例子是意法半導(dǎo)體(ST)的1,200V IGBT S系列,。這些IGBT針對低頻使用(高達(dá)8kHz)進(jìn)行了優(yōu)化，其特點(diǎn)是低Vce(sat),。它基于第三代溝槽柵場終止技術(shù),。

碳化硅(SiC)器件在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中的使用代表了真正的創(chuàng)新時刻，這要?dú)w功于其節(jié)能,、減小尺寸,、高集成度和可靠性等特性，所有這些特性在汽車和工業(yè)自動化控制等應(yīng)用中都特別敏感,。這些器件將快速硅基技術(shù)與SiC二極管技術(shù)相結(jié)合,，形成了一種混合技術(shù)解決方案。例如,，英飛凌公司已生產(chǎn)出集成功率器件,，作為其CoolSiC器件系列的一部分。

總結(jié)

電機(jī)特性,，無論是直流,、交流還是步進(jìn)電機(jī)，都將決定電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計,。

有助于確定有刷直流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計的主要因素即其優(yōu)點(diǎn),，包括結(jié)構(gòu)簡單、易于驅(qū)動和速度控制以及高啟動扭矩,。通過改變電源電流或電壓,，可以很容易地實(shí)現(xiàn)其速度控制。

步進(jìn)電機(jī)可以通過非常簡單的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非常精確的定位,。這種電機(jī)主要用于自動化,、機(jī)器人和計算機(jī)外設(shè)(打印機(jī),、繪圖儀等)。

交流異步電機(jī),，尤其是三相電機(jī),，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，因為其可以直接采用電網(wǎng)供電,，并且魯棒,、可靠而且經(jīng)濟(jì)。然而,，由于其難以控制并且啟動性能差,，它們的使用僅限于最簡單的動作。

要為應(yīng)用選擇最佳電機(jī),，最重要的是,，有必要確定負(fù)載在不同速度和使用條件(最壞情況)下產(chǎn)生的阻力矩。在計算阻力矩時,，必須同時考慮到系統(tǒng)在加速和減速過程中對電機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)摩擦以及慣性,。一旦知道不同轉(zhuǎn)速下的阻力矩，就可以選擇扭矩曲線高于負(fù)載扭矩曲線的電機(jī),。

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