电动机控制设计的运动控制装置

有关电动机控制设计的系列文章中的第1部分首先介绍了电动机和控制器。

电动机消耗了全世界发电量的几乎一半。实际上，它们为当今的大多数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，泵和风扇存在于越来越广泛的产品中。

效率和能量转换在电子设计中一直起着重要作用，就电动机而言，转换发生两次：首先产生控制电动机所需的电力，然后将电力转换成驱动力。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

引擎控制提供了在设计阶段提高效率的可能性。了解每种引擎的控制需求以及最适合给定应用程序的样式可以帮助确保在任何情况下均具有更高的效率。

实际上，发动机由三部分组成：运动的部分（通常会旋转，但也有线性电动机），固定的部分和产生电磁场的部分。这些部分分别称为转子，定子和开关。

由于磁场和电流之间相互作用的相同物理原理，所有电动机都可以工作。这种相互作用产生了以Nm为单位的转矩和速度（以每分钟转数或RPM表示），通过该转矩可以识别电动机的性能。

通过产生磁场的方式将各种类型的电动机彼此区分开：

连续电动机（DC）：由磁体或定子绕组产生的静磁场；旋转转子中的绕组。

交流电动机（AC）：动态磁场，由电流和转子产生的磁场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。

无刷直流电动机具有鲁棒性和可靠性，并且易于构建和控制。无刷直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。它使用磁场产生运动。由永磁转子和旋转磁场定子组成，磁场由定子产生。磁体在低功率电动机中可以是永久性的（例如，铁氧体），并由中功率和高功率电动机中的专用绕组产生，也称为缠绕磁场。动力通过旋转的集电器和电刷传递给转子。

直流电动机无需接触电动机轴上的滑动电触点（电刷）即可起作用。定子绕组中电流的切换以及由定子绕组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。

在直流电动机中，产生的转矩与流经转子绕组的电流成比例。通过直流驱动器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，磁场的产生是由定子电流与转子中产生的定子电流之间的角速度之差获得的。转子由电路组成，该电路包括两个端部环和连接它们的杆，这些环均基于导电材料。所有交流电动机通常都运行时不带电刷。也就是说，它们不需要滑动触点即可操作。

两种类型的电动机之间的主要区别在于速度控制。直流电动机的速度是通过改变电枢绕组的电流来控制的，而交流电动机的速度是通过改变频率来控制的，这通常是通过可调频率控制来实现的。

此外，由于没有集电器，因此交流电动机的转速高于直流电动机的转速，并可以提供高电压，这在直流电动机中由于集电叶片的靠近是不可能的。

交流电动机有两种类型：同步电动机和异步电动机。

同步电动机是一种由交流电驱动的电动机，其中旋转周期与电源电压的频率（通常为三相）同步。它由一个转子（与轴集成为一体的旋转部件）组成，在该转子上有多个由直流电驱动的永磁体或电磁体产生的具有交替极性的磁极，以及一个带有绕组或线圈的定子，定子带有交流电当前的。

定子的极膨胀产生一个旋转磁场，该磁场驱动转子。旋转频率与电源频率有关，该频率是电动机中存在的极坐标扩展数的函数。可以调节同步电动机的功率因数，而大型同步电动机的应用可以提高运行效率，而无需进行速度调节。近年来，小型同步电动机已越来越多地用于速度调节系统中。

异步电动机是一种由交流电驱动的电动机，其旋转频率与50/60 Hz不成正比。即，它与它“不同步”。因此，它不同于同步电动机。在三相电动机中，极膨胀是三的倍数。从全负载范围到恒速运行，异步电动机具有更高的运行效率和更好的运行特性。它们还满足工业和农业机械中的大多数传动要求。

图1：直流电动机的功能（图片：Magnetic Innovations）

步进电动机是具有无刷电子管理功能的同步脉冲直流电动机，可以将其旋转分为多个步骤。步进电机是与其他电机不同的电机，其目的是将轴保持在稳定的位置。如果简单地为其供电，则它们只会停在非常精确的位置。

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负载很有用。而且，步进电动机具有高的保持转矩。这是在电动机供电的情况下抵抗旋转的转矩。它通常很高，即使是小型电动机，当转子静止时也会导致“自锁”。

在步进电机内部，有多个绕组/线圈在定子上圆形排列，它们像电磁铁一样工作。制造商声明的相数对应于电连接线圈的组数。

步进电机有两种类型：单极有五到六线，而双极有四线。两种类型的区别在于电磁体的连接方式。还有一些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

电动机速度和方向的控制以所用电动机的工作模式为前提，并且取决于电动机的类型和不同的应用要求，需要使用不同的技术和电路。

电动机控制器的目的是能够手动或自动作用在电动机上（起停，超前反转，速度，扭转和防止电压过载的功能）。

电动机的控制需要电子电路，直到几年前，由于所涉及的电压和电流，这些电子电路还是由分立元件制成的。发动机控制处于研发活动的最前沿，可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。

在过去的计算水平上，主要的技术是数字信号处理器（DSP），该技术经历了演变，最终实现了各种解决方案。一个例子是Microchip Technology的广泛系列的低成本8位PIC和AVR MCU，以及高性能16位dsPIC数字信号控制器（DSC），其中包含创新的电机控制PWM外设，包括互补波形，专用时基，和快速的12位ADC。

现在已经是第三代的IGBT代表了电力控制设备的基本功能，非常适合解决复杂的电动机控制问题。最新一代的IGBT在极端极端的使用条件下（例如在汽车领域中采用逆变器来驱动电动机的情况下）已在开关速度和行为稳定性之间建立了极好的关系。一个示例是意法半导体（STMicroelectronics）的1,200V IGBT S系列。这些IGBT经过优化，适用于低频使用（高达8 kHz），其特征在于Vce（sat）低。它基于第三代沟槽栅极场停止技术。

由于具有节能，尺寸减小，高集成度和可靠性等特性，在电机控制和电力控制应用中使用碳化硅（SiC）器件代表了创新的现实时刻，所有这些特性在诸如以下的应用中特别敏感汽车和工业自动化控制。这些设备将快速的基于硅的技术与SiC二极管相结合，从而形成了混合技术解决方案。例如，英飞凌已经生产了集成功率器件，作为称为CoolSiC的组件系列的一部分（图3）。

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

编辑：hfy