電機(jī)控制技術(shù)

生活中處處可見(jiàn)電動(dòng)機(jī)的身影，電動(dòng)機(jī)消耗了世界上幾乎一半的電力。實(shí)際上，它們?yōu)楫?dāng)今的大多數(shù)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)扇存在于越來(lái)越廣泛的產(chǎn)品中。效率和能量轉(zhuǎn)換在電子設(shè)計(jì)中一直起著重要作用，就電動(dòng)機(jī)而言，轉(zhuǎn)換發(fā)生兩次：首先產(chǎn)生控制電動(dòng)機(jī)所需的電力，然后將電力轉(zhuǎn)換成驅(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(lèi)應(yīng)用中必須面對(duì)的最常見(jiàn)問(wèn)題之一。

類(lèi)型學(xué)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制提供了在設(shè)計(jì)階段提高效率的可能性。了解每種發(fā)動(dòng)機(jī)的控制需求以及最適合給定應(yīng)用程序的樣式可以幫助確保在任何情況下均具有更高的效率。實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)由三部分組成：運(yùn)動(dòng)的部分(通常會(huì)旋轉(zhuǎn)，但也有線性電動(dòng)機(jī))，固定的部分和產(chǎn)生電磁場(chǎng)的部分。這些部分分別稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，定子和開(kāi)關(guān)。

由于磁場(chǎng)和電流之間相互作用的相同物理原理，所有電動(dòng)機(jī)都能工作。這種相互作用產(chǎn)生了以Nm為單位的轉(zhuǎn)矩和速度(以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)或RPM表示)，通過(guò)該轉(zhuǎn)矩可以識(shí)別電動(dòng)機(jī)的性能。通過(guò)產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式將各種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)彼此區(qū)分開(kāi)：連續(xù)電動(dòng)機(jī)(DC)：由磁體或定子繞組產(chǎn)生的靜磁場(chǎng);旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子中的繞組。交流電動(dòng)機(jī)(AC)：動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，由電流和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生。

步進(jìn)電機(jī)：這些電機(jī)使用一系列電脈沖來(lái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有魯棒性和可靠性，并且易于構(gòu)建和控制。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。它使用磁場(chǎng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。由永磁體轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)定子組成，磁場(chǎng)由定子產(chǎn)生。磁體在低功率電動(dòng)機(jī)中可以是永久性的(例如，鐵氧體)，并由中功率和高功率電動(dòng)機(jī)中的專(zhuān)用繞組產(chǎn)生，也稱(chēng)為纏繞磁場(chǎng)。動(dòng)力通過(guò)旋轉(zhuǎn)的收集器和電刷傳遞給轉(zhuǎn)子。

直流電動(dòng)機(jī)無(wú)需接觸電動(dòng)機(jī)軸上的滑動(dòng)電觸點(diǎn)(電刷)即可起作用。定子繞組中電流的切換以及由定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向的變化以電子方式發(fā)生。這導(dǎo)致較低的機(jī)械阻力，消除了隨著轉(zhuǎn)速增加而形成火花的可能性，并大大減少了定期維護(hù)的需要。在直流電動(dòng)機(jī)中，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與流經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組的電流成比例。通過(guò)直流驅(qū)動(dòng)器的最簡(jiǎn)單控制作用于電源電壓。電壓越高，轉(zhuǎn)數(shù)越高。驅(qū)動(dòng)扭矩隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。它們?cè)趧?dòng)態(tài)建模中被大量使用。

在交流電動(dòng)機(jī)中，磁場(chǎng)的產(chǎn)生是從定子電流和轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的定子電流之間的角速度差獲得的。轉(zhuǎn)子由一個(gè)電路組成，該電路由兩端的兩個(gè)環(huán)和連接它們的桿組成，這些環(huán)均基于導(dǎo)電材料。所有交流電動(dòng)機(jī)通常在運(yùn)行時(shí)都沒(méi)有電刷;即，它們不需要滑動(dòng)觸點(diǎn)即可操作。

兩種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)之間的主要區(qū)別在于速度控制。通過(guò)改變電樞繞組的電流來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)的速度，而通過(guò)改變頻率來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的速度，這通常是在可調(diào)頻率控制下發(fā)生的。此外，由于沒(méi)有集電器，因此交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并可以提供高電壓，在直流電動(dòng)機(jī)中，由于集電葉片的接近性，這是不可能的。

交流電動(dòng)機(jī)有兩種類(lèi)型：同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。

同步電動(dòng)機(jī)是一種由交流電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，其中旋轉(zhuǎn)周期與電源電壓的頻率(通常為三相)同步。它由一個(gè)轉(zhuǎn)子(與軸集成為一體的旋轉(zhuǎn)部件)組成，在該轉(zhuǎn)子上有多個(gè)由直流電驅(qū)動(dòng)的永磁體或電磁體產(chǎn)生的具有交替極性的磁極，以及一個(gè)帶有繞組或線圈的定子，定子帶有交流電當(dāng)前。

定子的極膨脹產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。旋轉(zhuǎn)頻率與電源頻率有關(guān)，該頻率是電動(dòng)機(jī)中存在的極坐標(biāo)擴(kuò)展數(shù)的函數(shù)?？梢哉{(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，使用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率，而無(wú)需進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。近年來(lái)，小型同步電動(dòng)機(jī)已越來(lái)越多地用于速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。

異步電動(dòng)機(jī)是一種由交流電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，其旋轉(zhuǎn)頻率與50/60 Hz不成比例。也就是說(shuō)，它與它“不同步”。因此，它與同步電動(dòng)機(jī)不同。在三相電動(dòng)機(jī)中，極膨脹是三的倍數(shù)。從全負(fù)載范圍到恒速運(yùn)行，異步電動(dòng)機(jī)具有更高的運(yùn)行效率和更好的運(yùn)行特性。它們還滿足工業(yè)和農(nóng)業(yè)機(jī)械中的大多數(shù)傳動(dòng)要求。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是具有無(wú)刷電子管理功能的同步脈沖直流電動(dòng)機(jī)，可以將其旋轉(zhuǎn)分為多個(gè)步驟。步進(jìn)電機(jī)是與其他電機(jī)不同的電機(jī)，目的是將軸保持在穩(wěn)定的位置。如果簡(jiǎn)單地為其供電，則它們只會(huì)停在非常精確的位置。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負(fù)載很有用。而且，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有高保持轉(zhuǎn)矩。這是在電動(dòng)機(jī)供電的情況下抵抗旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩。它通常很高，即使是小型電動(dòng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)也會(huì)導(dǎo)致“自鎖”。

在步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，有多個(gè)繞組/線圈在定子上圓形排列，它們像電磁鐵一樣工作。制造商聲明的相數(shù)對(duì)應(yīng)于電連接線圈的組數(shù)。步進(jìn)電機(jī)有兩種類(lèi)型：?jiǎn)螛O5到6線和雙極4線。兩種類(lèi)型之間的區(qū)別在于電磁體的連接方式。還有一些混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)可以在單極和雙極模式下工作，使用不同的電動(dòng)機(jī)電纜(圖2)。

控制器

電動(dòng)機(jī)的速度和方向的控制以所用電動(dòng)機(jī)的工作模式為前提，并且取決于電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型和不同的應(yīng)用要求，需要不同的技術(shù)和電路。電動(dòng)機(jī)控制器的目的是能夠手動(dòng)或自動(dòng)作用在電動(dòng)機(jī)上(起停，超前反轉(zhuǎn)，速度，扭轉(zhuǎn)和過(guò)載保護(hù))。電動(dòng)機(jī)的控制需要電子電路，直到幾年前，由于所涉及的電壓和電流，這些電子電路還是由分立元件制成的。發(fā)動(dòng)機(jī)控制處于研發(fā)活動(dòng)的最前沿，可在兩個(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。

在過(guò)去的計(jì)算水平上，主要的技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，該技術(shù)經(jīng)歷了演變，最終實(shí)現(xiàn)了各種解決方案。一個(gè)例子是Microchip Technology的廣泛系列的低成本8位PIC和AVR MCU，以及高性能16位dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)，其中包含創(chuàng)新的電機(jī)控制PWM外設(shè)，包括互補(bǔ)波形，專(zhuān)用時(shí)基，和快速的12位ADC。

現(xiàn)在已經(jīng)是第三代的IGBT代表了電力控制設(shè)備的基本功能，非常適合解決復(fù)雜的電動(dòng)機(jī)控制問(wèn)題。最新一代的IGBT在極端極端的使用條件下，例如在汽車(chē)領(lǐng)域中采用逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的情況下，已經(jīng)在開(kāi)關(guān)速度和行為穩(wěn)定性之間建立了極好的關(guān)系。一個(gè)示例是意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)的1,200V IGBT S系列。這些IGBT經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可用于低頻(高達(dá)8 kHz)，其特點(diǎn)是Vce(sat)低。它基于第三代溝槽柵極場(chǎng)停止技術(shù)。

由于具有節(jié)能，尺寸減小，高集成度和可靠性等特性，在電機(jī)控制和電力控制應(yīng)用中使用碳化硅(SiC)器件代表了創(chuàng)新的現(xiàn)實(shí)時(shí)刻，所有這些特性在諸如以下的應(yīng)用中特別敏感汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化控制。這些設(shè)備將快速的基于硅的技術(shù)與SiC二極管相結(jié)合，從而形成了混合技術(shù)解決方案。例如，英飛凌已經(jīng)生產(chǎn)了集成功率器件，作為稱(chēng)為CoolSiC的組件系列的一部分。以上就是電動(dòng)機(jī)的一些相關(guān)技術(shù)解析，未來(lái)的電機(jī)一定會(huì)是更加高效的。