如何提高电机设计能效

随着节能成为全球范围关注的焦点，电机设计的能效也成为一个引人关注的问题。由于各国政府相继出台各种法规来要求提高能效，为了应对能效挑战，电机驱动电路变得越来越复杂。本文讨论电机驱动电路的产品和行业趋势，并提供有助于设计人员降低能耗、提高可靠性、减少元件数量、实现环保的解决方案。

工业领域的电机种类


近100年来，电器产品主要使用感应电机，即使是变频驱动型电器，也是采用感应电机。现在某些新型电器开始采用效率更高、尺寸更紧凑、重量更轻的电机。这些新型电机可分为两大类，即无刷直流电机和开关磁阻电机。


许多常见的家用电器都采用带变频驱动的无刷直流电机。这类高效的通用电机具有很高的转矩密度。随着能源价格飙升，业界重新燃起了对无刷直流电机的兴趣。但一直以来，成本以及驱动设计的整体复杂性阻碍了这种电机的广泛采用。


开关磁阻电机则多用于吸尘器和手持电动工具这类不关注电机噪声和转矩波动的电器中。开关磁阻电机的特点是转矩大、转速高，但价位非常具有竞争力。


无刷直流电机和开关磁阻电机都要利用一个微控制器或DSP来进行波形调节，然后用功率开关(功率 MOSFET或 IGBT) 放大这些调节后的波形。


驱动电路


设计变频驱动电路可有以许多不同的方式。在典型的三相电机中，最流行的低频驱动方案是梯形波驱动电路，如图1所示。图2给出了梯形波驱动电路的实际测试波形。



图1：最流行的低频驱动方案——梯形波驱动电路。

 

图2：梯形波控制方法及实际测试波形。


如果需要更高的频率和性能，可采用PWM方法来产生正弦波。若要再进一步提高效率，便可采用空间矢量调制 (Space Vector Modulation) 法。


永磁三相同步电机有两个流行的类型，即正弦永磁同步电机和梯形波无刷直流电机。正弦永磁同步电机与梯形波无刷直流电机(电气性能)非常相似，它们的区别主要体现在以下两个方面：(1)电机构造或者说反电动势 (BEMF) 的波形不同，一个是感应电压正弦永磁同步电机，另一个是梯形波无刷直流电机；(2)控制电压的波形不同，一个采用三相正弦(所有三个相位同时有电流流过)，一个采用矩形六步换流。


在新型驱动装置中，正弦永磁同步电机越来越流行，开始在很多应用中取代有刷和无刷直流电机、通用(交流异步)电机和其它电机 (如家用变频空调，工业缝纫机等)。其原因是它更可靠 (无刷)、效率更高、噪声更小，而且在电控制方面具有非常高的电压利用率及低频转矩。图3和图4分别给出了一种基于磁场定向控制(FOC)的无位置传感矢量控制器的系统框图及其实验波形。

 

图3：内置式永磁同步电机(IPMSM)矢量控制系统框图。

 

图4：电磁转矩方程式以及相电流与估算角度的实验波形。


创新解决办法：智能功率模块


智能功率模块(SPM)是微控制器或DSP与电机之间的功率接口，能减小电机体积并简化设计。这种模块较之于分立式解决方案的优势在于寄生电感更小、可靠性也更高，这是因为模块内的所有功率器件都采用了同批次芯片，具有一致的测试性能。这种智能功率模块可与微控制器低电压TTL或CMOS输出直接接口，并带有保护电路。模块内置有监视结温的热敏电阻器、防止上下桥臂直通的逻辑保护电路、死区时间控制，以及用于最大限度减少EMI等的驱动波形整形电路。在模块中，每个驱动IC均可进行优化，使其以最小的EMI和驱动损耗来完成功率器件的开关动作。三相驱动模块将继续在电器产品广泛应用。图5给出了马达控制使用SPM 的典型应用电路。