電機消耗了全球近一半的電力。事實上，它們為當今大部分設備提供了必要的驅動力——從小型消費品到大型工業機器，電機、泵和風扇的產品范圍越來越廣。

效率和能量的轉換在電子設計中一直扮演著重要的角色，在電機的情況下，轉換發生了兩次：首先是產生控制電機所需的電能，然后是將電能轉化為驅動力。消除電機產生的噪聲，是電子設計人員在此類應用中必須面對的最常見問題之一。

類型

電機控制提供了在設計階段提高效率的可能。了解每種類型電機的控制需求，以及最適合給定應用的樣式，有助于確保在任何情況下都具有更高的效率。

在實踐中，電機由三個部分組成：運動的部分(通常是旋轉的，但也有直線電機)、固定的部分和產生電磁場的部分。這三個部分分別稱為轉子、定子和換向器。

所有電機的工作都歸功于磁場和電流之間相互作用的相同物理原理。這種相互作用會產生以Nm為單位的扭矩和以rpm為單位的速度，借此就可識別電機的性能。

不同類型的電機通過產生磁場的方式相互區分：

連續電機(DC)：靜磁場，由磁鐵或定子繞組產生；使轉子中的繞組旋轉。

交流電機(AC)：動磁場，由電流產生的磁場與轉子之間的相互作用產生。

步進電機：這類電機使用一系列電脈沖來使電機軸旋轉。

直流電機具有魯棒性和可靠性，并且易于構建和控制。直流電機是將直流電能轉換為機械能的電機。它使用磁場來產生運動；由永磁轉子和旋轉磁場定子組成，磁場由定子產生。磁鐵在小功率電機中可以是永久性的(例如鐵氧體)，在中功率和大功率電機中則由專用繞組產生，也稱為繞線磁場。電能通過旋轉的集電環和電刷傳送到轉子(圖1)。

無刷直流電機無需接觸電機軸上的滑動電觸點(電刷)即可工作。定子繞組中電流的切換，以及由此產生的磁場方向的變化，以電子方式發生。這就會產生較低的機械阻力，消除隨著轉速增加而形成火花的可能性，并大大減少定期維護的需要。

在直流電機中，產生的扭矩與通過轉子繞組的電流成正比。通過直流驅動器進行的最簡單的控制，作用于電源電壓。電壓越高，轉數就越高。驅動扭矩隨著電機轉速的變化而變化。它們在動態建模中受到大量使用。

在交流電機中，磁場的產生是由于定子電流與轉子中產生的電流之間存在角速度差。轉子電路由兩端的兩個環和連接它們的條組成，它們都采用導電材料制作。所有的交流電機一般都沒有電刷，也就是說，它們不需要滑動觸點來工作。

兩種電機的主要區別在于速度控制。直流電機的速度是通過改變電樞繞組的電流來控制的，而交流電機的速度則是通過改變頻率來控制的。

此外，由于沒有集電環，交流電機可達到比直流電機更高的速度，并且可以使用高電壓供電，這在直流電機中是不可能的，因為集電環葉片彼此靠近。

交流電機有兩種類型：同步和異步。同步電機是一種由交流電驅動的電機，其轉動周期與電源電壓的頻率同步，通常為三相。它由一個轉子(與軸集成在一起的旋轉部件，其上有幾個由永磁體或直流供電電磁體產生的交替極性的磁極)和一個帶有繞組或線圈(交流供電)的定子組成。

定子的磁極擴展會產生驅動轉子的旋轉磁場。旋轉頻率與電源頻率有關，它是電機中存在的磁極擴展數的函數。同步電機的功率因數可以調節，大型同步電機的應用無需調速即可提高運行效率。近年來，小型同步電機越來越多地用于調速系統。

異步電機是一種交流電驅動的電機，其旋轉頻率與50/60Hz頻率不成正比，也就是說，這兩者不是“同步”的。因此，它不同于同步電機。在三相電機中，磁極擴展是3的倍數。異步電機具有更高的運行效率和更好的運行特性，從滿載范圍接近恒速運行。它們還能滿足工農業機械中的大部分傳動要求。

圖1：直流電機的功能。(圖片來源：Magnetic Innovations)

步進電機是一種帶無刷電子管理的同步脈沖直流電機，因此可將其旋轉分步。與所有其他電機不同，步進電機的目標是將軸保持在穩定位置。如果只是對其簡單地通電，這種電機只會停在一個非常精確的位置。

步進電機在低角速度下具有高扭矩，這對于以最大速度加速有效載荷就很有用。此外，步進電機具有高保持扭矩，這是在驅動電機的情況下與旋轉相反的扭矩。它通常很高，即使對于小型電機，當轉子靜止時也會引起“自鎖”。

在步進電機內部，有幾個繞組/線圈呈圓形排列在定子上，它們像電磁鐵一樣工作。制造商聲明的相數對應于電氣連接線圈的組數。

步進電機有兩種類型：5到6線的單極和4線的雙極。這兩種類型的區別在于電磁鐵的連接方式。還有混合動力發動機可以使用不同的電機電纜以單極和雙極兩種模式工作(圖2)。

圖2：步進電機及其控制器。(圖片來源：Microchip)

控制器

電機的速度和方向控制以電機在使用中的運行模式為前提，根據電機的類型和不同的應用要求需要不同的技術和電路。

電機控制器的目的是能夠手動或自動對電機進行操作(啟停、提前反轉、速度、扭轉和電壓過載保護)。

電機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。電機控制處于研發活動的最前沿，以在兩個層面上實現高效的微電子解決方案：計算軟件和電力電子。

在計算層面，過去流行的技術是數字信號處理器(DSP)，后來經歷演變，導致了各種解決方案的出現。一個例子是Microchip公司廣泛的低成本8位PIC和AVR MCU產品線，以及包含創新電機控制PWM外設——包括互補波形、專用時基和快速12位ADC——的高性能16位dsPIC數字信號控制器(DSC)。

IGBT現在已經是第三代，它代表了電力控制器件的基本功能，非常適合解決復雜的電機控制問題。在特別極端的使用條件下，最新一代的IGBT在開關速度和行為穩定性之間建立了良好的關系，例如在汽車領域實施逆變器來驅動電機的情況。一個例子是意法半導體(ST)的1,200V IGBT S系列。這些IGBT針對低頻使用(高達8kHz)進行了優化，其特點是低Vce(sat)。它基于第三代溝槽柵場終止技術。

碳化硅(SiC)器件在電機控制和電力控制應用中的使用代表了真正的創新時刻，這要歸功于其節能、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自動化控制等應用中都特別敏感。這些器件將快速硅基技術與SiC二極管技術相結合，形成了一種混合技術解決方案。例如，英飛凌公司已生產出集成功率器件，作為其CoolSiC器件系列的一部分。

總結

電機特性，無論是直流、交流還是步進電機，都將決定電機驅動器的設計。

有助于確定有刷直流電機驅動設計的主要因素即其優點，包括結構簡單、易于驅動和速度控制以及高啟動扭矩。通過改變電源電流或電壓，可以很容易地實現其速度控制。

步進電機可以通過非常簡單的控制系統實現非常精確的定位。這種電機主要用于自動化、機器人和計算機外設(打印機、繪圖儀等)。

交流異步電機，尤其是三相電機，在工業中得到廣泛應用，因為其可以直接采用電網供電，并且魯棒、可靠而且經濟。然而，由于其難以控制并且啟動性能差，它們的使用僅限于最簡單的動作。

要為應用選擇最佳電機，最重要的是，有必要確定負載在不同速度和使用條件(最壞情況)下產生的阻力矩。在計算阻力矩時，必須同時考慮到系統在加速和減速過程中對電機的靜態和動態摩擦以及慣性。一旦知道不同轉速下的阻力矩，就可以選擇扭矩曲線高于負載扭矩曲線的電機。

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