运动控制设备的具体表现

　　电机控制设计系列文章的第 1 部分首先介绍电机和控制器。

　　电动机消耗了全球几乎一半的电力。事实上，它们为当今的大部分设备提供了必要的驱动力。电机、泵和风扇出现在越来越广泛的产品中，从小型消费品到大型工业机器。

　　效率和能量转换在电子设计中一直扮演着重要的角色，就电动机而言，转换发生两次：首先产生控制电机所需的电能，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临的最常见问题之一。

　　类型

　　引擎控制提供了在设计阶段提高效率的可能性。了解每种类型发动机的控制需求以及哪种类型最适合给定的应用程序有助于确保在任何情况下都具有更高的效率。

　　实际上，发动机由三部分组成：运动部分（一般是旋转，但也有直线电机）、固定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。

　　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。这种相互作用会产生一个以 Nm 为单位的扭矩和一个速度（以每分钟转数或 RPM 表示），通过它们可以识别电机的性能。

　　各种类型的电机通过产生磁场的方式相互区分：

• 　　连续电机 (DC)：由磁铁或定子绕组产生的静磁场；旋转转子中的绕组。
• 　　交流电机 (AC)：动态场，由电流和转子产生的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。无刷直流电机是一种将直流电能转化为机械能的电动机。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。小功率电机中的磁铁可以是永久的（例如铁氧体），并且由中功率和大功率电机中的专用绕组产生，也称为绕组磁场。动力通过旋转收集器和电刷传送到转子。

　　直流电机不需要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最简单的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。

　　在交流电机中，磁场的产生是通过定子电流和转子中产生的电流之间的角速度差异获得的。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杆组成，这些杆均基于导电材料。所有交流电机一般无电刷运行；即，它们不需要滑动触点来操作。

　　这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，没有集电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，因为靠近集电器叶片。

　　交流电机有两种类型：同步电机和异步电机。

　　同步电动机是一种由交流电驱动的电动机，其旋转周期与电源电压的频率同步，通常为三相。它由一个转子（与轴集成在一起的旋转部分）组成，转子上有几个由永磁体或由直流供电的电磁体产生的交替极性的磁极，以及一个带有绕组或线圈的定子，由交流供电当前的。

　　定子的极地膨胀产生驱动转子的旋转磁场。旋转频率与作为电机中存在的极扩展数的函数的电源频率相关。同步电机功率因数可调，应用大型同步电机可提高运行效率，无需调速。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，它与它不“同步”。因此，它不同于同步电机。在三相电机中，极性膨胀是三的倍数。异步电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。它们还满足工业和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）

　　步进电机是同步脉冲直流电机，采用无刷电子管理，可分步旋转。步进电机与其他电机不同，其目的是将轴保持在稳定位置。如果它们只是通电，它们就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。这是在电机供电的情况下抵抗旋转的扭矩。它通常相当高，即使对于小型电机，这也会导致转子静止时“自锁”。

　　在步进电机内部，定子上有多个环形排列的绕组/线圈，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的线圈组数。

　　步进电机有两种类型：五到六线的单极和四线的双极。两种类型之间的区别在于电磁铁的连接方式。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

　　电机速度和方向的控制以使用中电机的运行模式为前提，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，由于所涉及的电压和电流，这些电路还是由分立元件制成。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)，它经历了一次演变，导致了各种解决方案的实现。一个例子是 Microchip Technology 的一系列低成本 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 12 位 ADC。

　　IGBT 现在已进入第三代，代表了非常适合解决复杂电机控制问题的电力控制设备的基本功能。最新一代 IGBT 在特别极端的使用条件下，在开关速度和行为稳定性之间建立了良好的关系，例如在汽车行业中使用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 Vce(sat) 低。它基于第三代沟槽栅场截止技术。

　　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、尺寸减小、高集成度和可靠性等特性，所有这些特性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 CoolSiC 组件系列的一部分（图 3）。

文章来源：eeweb Maurizio Di Paolo Emilio

编辑：ymf