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电机控制设计之电机与控制器简介

2022-08-09 10:35:43 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
效率和能量的转换在电子设计中一直扮演着重要的角色,在电机的情况下,转换发生了两次:首先是产生控制电机所需的电能,然后是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对的最常见问题之一。

电机消耗了全球近一半的电力。事实上,它们为当今大部分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、泵和风扇的产品范围越来越广。ul8ednc

效率和能量的转换在电子设计中一直扮演着重要的角色,在电机的情况下,转换发生了两次:首先是产生控制电机所需的电能,然后是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对的最常见问题之一。ul8ednc

类型

电机控制提供了在设计阶段提高效率的可能。了解每种类型电机的控制需求,以及最适合给定应用的样式,有助于确保在任何情况下都具有更高的效率。ul8ednc

在实践中,电机由三个部分组成:运动的部分(通常是旋转的,但也有直线电机)、固定的部分和产生电磁场的部分。这三个部分分别称为转子、定子和换向器。ul8ednc

所有电机的工作都归功于磁场和电流之间相互作用的相同物理原理。这种相互作用会产生以Nm为单位的扭矩和以rpm为单位的速度,借此就可识别电机的性能。ul8ednc

不同类型的电机通过产生磁场的方式相互区分:ul8ednc

  • 连续电机(DC):静磁场,由磁铁或定子绕组产生;使转子中的绕组旋转。
  • 交流电机(AC):动磁场,由电流产生的磁场与转子之间的相互作用产生。
  • 步进电机:这类电机使用一系列电脉冲来使电机轴旋转。

直流电机具有鲁棒性和可靠性,并且易于构建和控制。直流电机是将直流电能转换为机械能的电机。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。磁铁在小功率电机中可以是永久性的(例如铁氧体),在中功率和大功率电机中则由专用绕组产生,也称为绕线磁场。电能通过旋转的集电环和电刷传送到转子(图1)。ul8ednc

无刷直流电机无需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,以及由此产生的磁场方向的变化,以电子方式发生。这就会产生较低的机械阻力,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。ul8ednc

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的最简单的控制,作用于电源电压。电压越高,转数就越高。驱动扭矩随着电机转速的变化而变化。它们在动态建模中受到大量使用。ul8ednc

在交流电机中,磁场的产生是由于定子电流与转子中产生的电流之间存在角速度差。转子电路由两端的两个环和连接它们的条组成,它们都采用导电材料制作。所有的交流电机一般都没有电刷,也就是说,它们不需要滑动触点来工作。ul8ednc

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,而交流电机的速度则是通过改变频率来控制的。ul8ednc

此外,由于没有集电环,交流电机可达到比直流电机更高的速度,并且可以使用高电压供电,这在直流电机中是不可能的,因为集电环叶片彼此靠近。ul8ednc

交流电机有两种类型:同步和异步。同步电机是一种由交流电驱动的电机,其转动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,其上有几个由永磁体或直流供电电磁体产生的交替极性的磁极)和一个带有绕组或线圈(交流供电)的定子组成。ul8ednc

定子的磁极扩展会产生驱动转子的旋转磁场。旋转频率与电源频率有关,它是电机中存在的磁极扩展数的函数。同步电机的功率因数可以调节,大型同步电机的应用无需调速即可提高运行效率。近年来,小型同步电机越来越多地用于调速系统。ul8ednc

异步电机是一种交流电驱动的电机,其旋转频率与50/60Hz频率不成正比,也就是说,这两者不是“同步”的。因此,它不同于同步电机。在三相电机中,磁极扩展是3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。它们还能满足工农业机械中的大部分传动要求。ul8ednc

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图1:直流电机的功能。(图片来源:Magnetic Innovations)ul8ednc

步进电机是一种带无刷电子管理的同步脉冲直流电机,因此可将其旋转分步。与所有其他电机不同,步进电机的目标是将轴保持在稳定位置。如果只是对其简单地通电,这种电机只会停在一个非常精确的位置。ul8ednc

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就很有用。此外,步进电机具有高保持扭矩,这是在驱动电机的情况下与旋转相反的扭矩。它通常很高,即使对于小型电机,当转子静止时也会引起“自锁”。ul8ednc

在步进电机内部,有几个绕组/线圈呈圆形排列在定子上,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线圈的组数。ul8ednc

步进电机有两种类型:5到6线的单极和4线的双极。这两种类型的区别在于电磁铁的连接方式。还有混合动力发动机可以使用不同的电机电缆以单极和双极两种模式工作(图2)。ul8ednc

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图2:步进电机及其控制器。(图片来源:Microchip)ul8ednc

控制器

电机的速度和方向控制以电机在使用中的运行模式为前提,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。ul8ednc

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)。ul8ednc

电机的控制需要电子电路,直到几年前,由于涉及的电压和电流,这些电路都是用分立元件制成的。电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。ul8ednc

在计算层面,过去流行的技术是数字信号处理器(DSP),后来经历演变,导致了各种解决方案的出现。一个例子是Microchip公司广泛的低成本8位PIC和AVR MCU产品线,以及包含创新电机控制PWM外设——包括互补波形、专用时基和快速12位ADC——的高性能16位dsPIC数字信号控制器(DSC)。ul8ednc

IGBT现在已经是第三代,它代表了电力控制器件的基本功能,非常适合解决复杂的电机控制问题。在特别极端的使用条件下,最新一代的IGBT在开关速度和行为稳定性之间建立了良好的关系,例如在汽车领域实施逆变器来驱动电机的情况。一个例子是意法半导体(ST)的1,200V IGBT S系列。这些IGBT针对低频使用(高达8kHz)进行了优化,其特点是低Vce(sat)。它基于第三代沟槽栅场终止技术。ul8ednc

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,这要归功于其节能、减小尺寸、高集成度和可靠性等特性,所有这些特性在汽车和工业自动化控制等应用中都特别敏感。这些器件将快速硅基技术与SiC二极管技术相结合,形成了一种混合技术解决方案。例如,英飞凌公司已生产出集成功率器件,作为其CoolSiC器件系列的一部分(图3)。ul8ednc

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图3:用于7.5kW的CoolSiC MOSFET电机驱动评估板。(图片来源:英飞凌)ul8ednc

总结

电机特性,无论是直流、交流还是步进电机,都将决定电机驱动器的设计。ul8ednc

有助于确定有刷直流电机驱动设计的主要因素即其优点,包括结构简单、易于驱动和速度控制以及高启动扭矩。通过改变电源电流或电压,可以很容易地实现其速度控制。ul8ednc

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。这种电机主要用于自动化、机器人和计算机外设(打印机、绘图仪等)。ul8ednc

交流异步电机,尤其是三相电机,在工业中得到广泛应用,因为其可以直接采用电网供电,并且鲁棒、可靠而且经济。然而,由于其难以控制并且启动性能差,它们的使用仅限于最简单的动作。ul8ednc

要为应用选择最佳电机,最重要的是,有必要确定负载在不同速度和使用条件(最坏情况)下产生的阻力矩。在计算阻力矩时,必须同时考虑到系统在加速和减速过程中对电机的静态和动态摩擦以及惯性。一旦知道不同转速下的阻力矩,就可以选择扭矩曲线高于负载扭矩曲线的电机。ul8ednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Electronic Products,参考链接:Motor control design: an introduction to motors and controllers,由Franklin Zhao编译。)ul8ednc

本文为《电子技术设计》2022年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里ul8ednc

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