作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特约撰稿人

电动马达消耗了全球近一半的电力。事实上，它们为当今大多数设备提供了必要的驱动力。从小的消费品到大的工业机器，电机、泵、风机的产品越来越广泛。

效率和能量之间的转换在电子设计中一直起着重要的作用。在电机的情况下，转换发生了两次：首先，产生了控制电机所需的电能，然后电能被转换为驱动力。消除电机产生的噪声是电子设计人员在这类应用中必须面对的最常见问题之一。

类型学

发动机控制提供了在设计阶段提高效率的可能性。了解每种类型的发动机的控制要求和给定应用的最佳风格将有助于确保在任何情况下更高的效率。

实际上，发动机由三部分组成：运动部分(通常是旋转的，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。

所有电机的运转都归功于磁场和电流相互作用的相同物理原理。这种相互作用将产生扭矩和速度，单位为Nm(以每分钟转数或RPM表示)，可用于识别电机的性能。

不同类型的电机通过产生磁场来区分：

连续电机(DC):静磁场，由定子中的磁铁或绕组产生；转动转子中的绕组。

交流电机(AC):动态磁场，由电流产生的磁场与转子相互作用而产生。

步进电机：这些电机使用一系列电脉冲来旋转电机轴。

无刷DC电机坚固可靠，易于制造和控制。无刷DC电机是一种将DC能量转化为机械能的电机。它利用磁场来产生运动。它由永磁转子和旋转磁场定子组成，磁场由定子产生。磁铁在小功率电机(如铁氧体)中可以是永久的，在中功率和大功率电机中由特殊绕组产生，也称为绕线磁场。电力通过旋转集电器和电刷传输到转子。

DC电机可以在不接触电机轴上的滑动电触点(电刷)的情况下工作。定子绕组中电流的切换和由它们产生的磁场方向的改变是以电子方式发生的。这导致更低的机械阻力，消除了随着转速的增加形成火花的可能性，并大大减少了定期维护的需要。

在DC电机中，产生的转矩与通过转子绕组的电流成正比。DC驱动器最简单的控制作用于电源电压。电压越高，转数越高。驱动扭矩随发动机转速而变化。它们广泛用于动态建模。

在交流电机中，磁场是由定子电流和转子电流之间的角速度差产生的。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，这两个环都基于导电材料。所有交流电机一般都是无刷的；也就是说，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。DC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，这通常发生在变频控制中。

此外，没有集电器允许交流电机达到比DC电机更高的速度，并能提供高电压，这在DC电机中是不可能的，因为它靠近集电器叶片。

有两种类型的交流电机：同步和异步。

同步电机是一种由交流电驱动的电机，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件)和一个带绕组或线圈的定子组成。转子有几个由DC供电的永磁体或电磁体产生的极性交替的磁极。当前。

定子的极性膨胀产生驱动转子的旋转磁场。旋转频率与电源频率有关，电源频率是电机中存在的极性扩展数量的函数。同步电动机的功率因数可以调节，大型同步电动机无需调速就能提高运行效率。近年来，小型同步电动机越来越多地应用于调速系统中。

异步电机是一种交流电驱动的电机，其旋转频率与50/60Hz不成正比。也就是不与之“同步”。因此，它不同于同步电机。在三相电机中，极性扩展是三的倍数。异步电动机具有更高的运行效率和更好的运行特性，并从满负荷范围恒速运行。它们也满足工业和农业机械的大多数传动要求。

图1:DC汽车的功能(照片：磁性创新)

步进电机是一种同步脉冲DC电机，具有无刷电子管理，可以逐步旋转。步进电机是一种电机，不同于其他所有的电机，它的目标是保持轴处于稳定的位置。如果只是简单地给它们通电，它们只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转矩。这有助于以最大速度加速有效负载。此外，步进电机具有高保持转矩。在电机驱动的情况下，这是与旋转相反的扭矩。它通常很高，即使是小型电机，当转子静止时，也会导致“自锁”。

在步进电机内部，有几个绕组/线圈在定子上排列成一个圆圈，其工作原理类似于电磁铁。制造商声明的相数对应于电气连接线圈的组数。

步进电机有两种类型：5-6线单极和4线双极。两者的区别在于电磁铁的连接方式。也有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：微芯片)

控制器

电机的速度和方向控制是根据所用电机的运行方式，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手动或自动操作电机(启动-停止、早期反转、速度、扭矩和电压过载保护)。

马达的控制需要电子电路。直到几年前，由于涉及到电压和电流，这些电路都是由分立元件构成的。发动机控制是R&D在两个层面上实现高效微电子解决方案的最前沿活动：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)，它经历了演变，并导致了各种解决方案的实现。例如，Microchip Technology广泛的低成本8位PIC和AVR MCU产品线，以及具有创新电机控制PWM外设的高性能16位dsPIC数字信号控制器(DSC ),包括互补波形、专用时基和快速12位ADC。

IGBT现在是第三代，代表了功率控制设备的基本功能，非常适合解决复杂的电机控制问题。在极端条件下，最新一代IGBT在开关速度和行为稳定性之间建立了良好的关系，如在汽车领域实现逆变器驱动电机。意法半导体公司的1200伏IGBT系列就是一个例子。这些IGBT针对低频应用(最高8 kHz)进行了优化，具有低Vce(sat)特性。它基于第三代沟槽栅场终止技术。

碳化硅(SiC)器件在电机控制和电源控制中的应用代表了一个真正的创新时刻，这归功于其节能、尺寸减小、高集成度和可靠性等特性，所有这些特性对以下应用中的汽车和工业自动化控制尤为敏感。这些器件将快速硅基技术与SiC二极管技术相结合，形成混合技术解决方案。例如，英飞凌生产了集成功率器件，作为名为CoolSiC的一系列组件的一部分(图3)。

图7.5 kW CoolSiC MOSFET电机驱动的评估板(图片：英飞凌科技)

结论

电机特性，无论是DC、交流还是步进电机，都将决定电机驱动器的设计。

有助于确定无刷DC电机驱动设计的主要因素是其优点，包括结构简单、易于驱动和速度控制以及高起动转矩。通过改变电源电流或电压，可以很容易地实现它们的速度控制。

步进电机可以通过非常简单的控制系统实现非常精确的定位。它们用于自动化、机器人和计算机外围设备(打印机、绘图仪等)。).

交流异步电动机，尤其是三相电动机，广泛应用于工业中，因为它们可以直接从电网供电，并且坚固、可靠和经济。然而，它们的使用仅限于最简单的动作，因为它们难以控制并且启动性能差。

为了选择最佳的应用电机，最重要的是确定负载在不同速度和使用条件下(最坏情况)产生的阻力矩。必须计算阻力矩，考虑加速和减速期间系统对电机的静态和动态摩擦和惯性。一旦知道了不同转速下的转矩阻力，就可以选择转矩曲线高于负载转矩曲线的电机。

审核编辑黄浩宇

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