电动机控制设计的运动控制装置有哪些（电动机控制设计的运动控制装置是什么）

本系列电机控制设计的第1 部分首先介绍电机和控制器。

电动机消耗了世界电力生产的近一半。事实上，它们为当今大多数设备提供了必要的驱动力。从小型消费品到大型工业机器，电机、泵和风扇的应用范围越来越广。

效率和能量转换在电子设计中一直发挥着重要作用，就电动机而言，转换发生两次：首先产生控制电机所需的电力，然后将电力转换为驱动力。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。了解每个发动机的控制需求以及哪种风格最适合给定应用有助于确保在任何情况下提高效率。

事实上，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）、静止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。

所有电动机的工作原理都是基于磁场和电流之间相互作用的相同物理原理。这种相互作用产生以Nm 为单位的扭矩和速度（以每分钟转数或RPM 表示），通过它们可以识别电机的性能。

各种类型的电动机通过产生磁场的方式来区分：

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）：电流与转子产生的磁场相互作用产生的动态磁场。

步进电机：这些电机使用一系列电脉冲来旋转电机轴。

无刷直流电机坚固、可靠且易于构建和控制。无刷直流电机是将直流电能转换为机械能的电机。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。低功率电机中的磁体可以是永久磁体（例如铁氧体），而中功率和高功率电机中的磁体则由专门的绕组（也称为绕线磁场）制成。电力通过旋转集电器和电刷传输至转子。

直流电机无需接触电机轴上的滑动电触点（电刷）即可运行。定子绕组中电流的切换以及定子绕组产生的磁场方向的变化以电子方式发生。这会降低机械阻力，消除随着转速增加而形成火花的可能性，并大大减少定期维护的需要。

在直流电机中，产生的扭矩与流过转子绕组的电流成正比。最简单的控制是通过直流驱动器作用于电源电压。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。它们大量用于动态建模。

在交流电机中，磁场是由定子电流和转子中产生的定子电流之间的角速度差产生的。转子由一个电路组成，该电路由两个端环和连接它们的杆组成，两者均基于导电材料。所有交流电机通常都在没有电刷的情况下运行。也就是说，它们不需要滑动触点来操作。

两种类型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中的电流来控制的，而交流电机的速度是通过改变频率来控制的，通常是通过可调频率控制。

此外，由于没有集电器，交流电机的旋转速度比直流电机更高，并且可以提供高电压，而这在直流电机中是不可能的，因为集电器叶片非常接近。

交流电机有两种类型：同步电机和异步电机。

同步电机是由交流电驱动的电动机，其旋转周期与电源电压（通常是三相）的频率同步。它由转子（与轴一体的旋转部件）和带有绕组或线圈的定子组成，转子上有多个由直流电驱动的永磁体或电磁体产生的极性交替的磁极，定子上承载交流电流。

定子磁极的膨胀产生驱动转子的旋转磁场。旋转频率与电源频率相关，电源频率是电机中存在的极延伸数量的函数。同步电机的功率因数是可以调节的，大型同步电机的应用可以在不需要调速的情况下提高运行效率。近年来，小型同步电机越来越多地应用于调速系统中。

异步电机是由交流电驱动的电动机，其旋转频率不与50/60 Hz成正比。也就是说，它与它“不同步”。因此，它与同步电机不同。在三相电机中，极膨胀是三的倍数。从满载范围到恒速运行，异步电机具有更高的运行效率和更好的运行特性。它们还满足工业和农业机械的大多数传动要求。

图1：直流电机的功能（图片：Magnetic Innovations）

步进电机是具有无刷电子管理功能的同步脉冲直流电机，可将其旋转分为多个步骤。步进电机与其他电机不同，其目的是使轴保持在稳定的位置。如果你简单地给它们供电，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非常有用。此外，步进电机具有高保持扭矩。这是由电动机驱动时抵抗旋转的扭矩。它通常非常高，即使在小型电机中也是如此，并且当转子静止时可能会导致“自锁”。

在步进电机内部，定子上有多个绕圈/线圈，它们的工作原理类似于电磁体。制造商声明的相数对应于电连接线圈的组数。

步进电机有两种类型：单极有五根或六根线，双极有四根线。两种类型之间的区别在于电磁体的连接方式。还有一些混合发动机可以使用不同的电机电缆以单极和双极模式运行（图2）。

图2：步进电机及其控制器（图片来源：Microchip）

控制器

电机速度和方向的控制以所使用的电机的工作模式为前提，并且取决于电机的类型和不同的应用要求，需要采用不同的技术和电路。

电机控制器的目的是能够手动或自动地作用于电机（启停、高级反转、速度、反转和电压过载保护功能）。

电动机的控制需要电子电路，直到几年前，由于涉及电压和电流，电子电路还是由分立元件制成。发动机控制处于研发活动的前沿，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。

在过去的计算水平上，占主导地位的技术是数字信号处理器（DSP），它不断发展并最终产生了各种解决方案。一个例子是Microchip Technology 的各种低成本8 位PIC 和AVR MCU，以及高性能16 位dsPIC 数字信号控制器(DSC)，其中包含创新型电机控制PWM 外设，包括互补波形、专用时基，以及快速12 位ADC。

IGBT现已发展到第三代，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。最新一代的IGBT 在极其极端的使用条件下（例如在汽车领域使用逆变器驱动电动机）在开关速度和行为稳定性之间建立了良好的关系。 STMicroElectronics 的1,200V IGBT S 系列就是一个例子。这些IGBT 针对低频使用（高达8 kHz）进行了优化，并具有低Vce(sat) 的特点。它基于第三代沟槽栅场截止技术。

碳化硅(SiC) 器件在电机控制和功率控制应用中的使用代表了创新的现实时刻，因为它具有节能、尺寸减小、高集成度和可靠性等特性，所有这些特性在汽车和电力等应用中尤其敏感。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，形成混合技术解决方案。例如，英飞凌已经生产集成功率器件，作为CoolSiC 组件系列的一部分（图3）。

图3：7.5 kW CoolSiC MOSFET 电机驱动器评估板（图片来源：Infineon Technologies）

编辑：hfy