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(dòng)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(lái)越廣。

效率和能量的轉(zhuǎn)換在電子設(shè)計(jì)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(dòng)力。消除電機(jī)產(chǎn)生的噪聲，是電子設(shè)計(jì)人員在此類應(yīng)用中必須面對(duì)的最常見(jiàn)問(wèn)題之一。

類型

電機(jī)控制提供了在設(shè)計(jì)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(gè)部分組成：運(yùn)動(dòng)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(chǎng)的部分。這三個(gè)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(chǎng)和電流之間相互作用的相同物理原理。這種相互作用會(huì)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(shí)別電機(jī)的性能。

不同類型的電機(jī)通過(guò)產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式相互區(qū)分：

連續(xù)電機(jī)(DC)：靜磁場(chǎng)，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(dòng)磁場(chǎng)，由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(lái)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(chǎng)來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；由永磁轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)定子組成，磁場(chǎng)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(chǎng)。電能通過(guò)旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)和電刷傳送到轉(zhuǎn)子(圖1)。

無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)需接觸電機(jī)軸上的滑動(dòng)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(chǎng)方向的變化，以電子方式發(fā)生。這就會(huì)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(guò)轉(zhuǎn)子繞組的電流成正比。通過(guò)直流驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行的最簡(jiǎn)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(dòng)扭矩隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。它們?cè)趧?dòng)態(tài)建模中受到大量使用。

在交流電機(jī)中，磁場(chǎng)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(gè)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(méi)有電刷，也就是說(shuō)，它們不需要滑動(dòng)觸點(diǎn)來(lái)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(guò)改變電樞繞組的電流來(lái)控制的，而交流電機(jī)的速度則是通過(guò)改變頻率來(lái)控制的。

此外，由于沒(méi)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?yàn)榧姯h(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(dòng)的電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)周期與電源電壓的頻率同步，通常為三相。它由一個(gè)轉(zhuǎn)子(與軸集成在一起的旋轉(zhuǎn)部件，其上有幾個(gè)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(gè)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(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。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(wú)需調(diào)速即可提高運(yùn)行效率。近年來(lái)，小型同步電機(jī)越來(lái)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(dòng)的電機(jī)，其旋轉(zhuǎn)頻率與50/60Hz頻率不成正比，也就是說(shuō)，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(dòng)要求。

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

步進(jìn)電機(jī)是一種帶無(wú)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(duì)其簡(jiǎn)單地通電，這種電機(jī)只會(huì)停在一個(gè)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(duì)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(dòng)電機(jī)的情況下與旋轉(zhuǎn)相反的扭矩。它通常很高，即使對(duì)于小型電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)也會(huì)引起“自鎖”。

在步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，有幾個(gè)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(duì)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(dòng)力發(fā)動(dòng)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(lái)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(dòng)或自動(dòng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行操作(啟停、提前反轉(zhuǎn)、速度、扭轉(zhuǎn)和電壓過(guò)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(dòng)的最前沿，以在兩個(gè)層面上實(shí)現(xiàn)高效的微電子解決方案：計(jì)算軟件和電力電子。

在計(jì)算層面，過(guò)去流行的技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，后來(lái)經(jīng)歷演變，導(dǎo)致了各種解決方案的出現(xiàn)。一個(gè)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(shí)基和快速12位ADC——的高性能16位dsPIC數(shù)字信號(hào)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(wèn)題。在特別極端的使用條件下，最新一代的IGBT在開(kāi)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?lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的情況。一個(gè)例子是意法半導(dǎo)體(ST)的1,200V IGBT S系列。這些IGBT針對(duì)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(chǎng)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(shí)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(dòng)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(wú)論是直流、交流還是步進(jìn)電機(jī)，都將決定電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。

有助于確定有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的主要因素即其優(yōu)點(diǎn)，包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于驅(qū)動(dòng)和速度控制以及高啟動(dòng)扭矩。通過(guò)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(guò)非常簡(jiǎn)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(dòng)化、機(jī)器人和計(jì)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?yàn)槠淇梢灾苯硬捎秒娋W(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(dòng)性能差，它們的使用僅限于最簡(jiǎn)單的動(dòng)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(jì)算阻力矩時(shí)，必須同時(shí)考慮到系統(tǒng)在加速和減速過(guò)程中對(duì)電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)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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