電機在未來仍將廣泛使用。從小型家電到工業(yè)制造，再到重型機械，電機功能豐富，幾乎無所不在。電機約占全球電力消耗的一半，而且這一比例還在不斷增長。如今，全球減排力度不斷加大，提升電機能效顯得愈發(fā)關(guān)鍵。為此就需要開發(fā)先進的控制算法，采用新型高效電機結(jié)構(gòu)，并引入現(xiàn)代半導體技術(shù)。本文為工業(yè)電機驅(qū)動白皮書的第一部分，主要介紹系統(tǒng)用途、市場趨勢、系統(tǒng)描述等。

系統(tǒng)用途

工業(yè)電機驅(qū)動器是當今全球工業(yè)的支柱，其能耗約占所有工業(yè)應用能耗的近三分之二。

相關(guān)法規(guī)越來越嚴格，市場對大幅降低工業(yè)電機驅(qū)動器能耗的需求變得愈加迫切。交流電機通?？芍苯佑山涣?a target="_blank">電源驅(qū)動。然而，為了提高能效和加強控制，通常需要采用變頻驅(qū)動。

相較于傳統(tǒng)的節(jié)流控制， 采用變頻驅(qū)動 (VFD) 的工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)能效更高。安森美 (onsemi)提供各種各樣的 VFD 產(chǎn)品，包括 MOSFET、 IGBT、 二極管、 功率集成模塊 (PIM) 和智能功率模塊 (IPM)。

子系統(tǒng)中使用的其他器件和技術(shù)包括：柵極驅(qū)動器、運算放大器、 位置傳感器、 溫度傳感器， 以及其他用于控制和感知的器件。

借助現(xiàn)代半導體和新型電機架構(gòu)，電機驅(qū)動器的能效和壽命可得到提升。

工業(yè)驅(qū)動器應用于眾多工業(yè)領(lǐng)域，包括過程自動化、 風扇控制、 液體和氣體泵、 機器人、 物料搬運、 機床、 石油和天然氣工業(yè)等。

市場趨勢

二氧化碳減排潛能

電機用途廣泛， 從小家電到重型設備都有應用。多個信息來源表明，全球大約一半的電力被電機驅(qū)動器消耗。工業(yè)應用消耗的電力占到世界總發(fā)電量的近三分之一。工業(yè)領(lǐng)域自動化程度加速提高，工業(yè)電機系統(tǒng)的數(shù)量預計仍將持續(xù)增加。如今，可持續(xù)發(fā)展和能效逐漸成為熱門話題。因此，更新現(xiàn)有方案和新部署的系統(tǒng)以盡可能提高能效至關(guān)重要。

預計 2024 年至 2029 年， 工業(yè)電機驅(qū)動器市場將以 5% 至 5.5% 的平均復合增長率 (CAGR) 增長，市場規(guī)模將從 255 億美元擴大到 327 億美元。發(fā)展中經(jīng)濟體的快速工業(yè)化是推動此增長的一大關(guān)鍵動力。目前， 市場對優(yōu)化流程和提升能效的需求日益迫切。與燃氣渦輪機等其他方案相比，電力驅(qū)動器往往能效更高，維護需求更少。

《2020 年電機系統(tǒng)市場評估》 (MSMA) 報告顯示，美國的電機驅(qū)動系統(tǒng)蘊藏著巨大的節(jié)能減排潛力，每年可節(jié)省超過50 億美元成本，并減少 4300 多萬噸的二氧化碳排放。控制器和電機是需要改進的重點。

變頻驅(qū)動有助于改善電機控制器， 顯著提高電機在變化負載下的能效。以往， 許多系統(tǒng)的額定功率過大。這種做法雖然延長了系統(tǒng)的使用壽命，但同時也降低了系統(tǒng)的整體能效。通過實現(xiàn)負載匹配和變頻驅(qū)動，系統(tǒng)的能效可以提升 10% 以上。

前述的 2020 年 MSMA 報告指出，采用更高能效的電機，例如永磁同步電機， 可以讓美國每年節(jié)省 45,000 GWh 的電力。寬禁帶 (WBG) 半導體雖然初始投資更高，但可進一步提高系統(tǒng)的能效。此類半導體的其他優(yōu)勢包括工作溫度更高、工作電壓更高和開關(guān)頻率更高，有助于減小無源器件的尺寸并降低成本。

變頻驅(qū)動

現(xiàn)代三相電機大多由功率開關(guān)驅(qū)動， 廣泛應用于機器人、工業(yè)和其他要求苛刻的領(lǐng)域。這些系統(tǒng)通常使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號來確定導通和關(guān)斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。這種方式被稱為變頻驅(qū)動 (VFD)，能效比傳統(tǒng)的節(jié)流控制更高，更能在負載變化的情況下有效地節(jié)約能源。

圖 1：變頻驅(qū)動對電力消耗的影響

系統(tǒng)描述

電機類型

以前廣泛使用的直流電機采用機械電刷在定子和轉(zhuǎn)子之間換向，這種設計導致噪聲高、 維護需求大、 能效低且散熱性能差。相比之下，無刷電機采用電子換向， 因此能效更高、 更安靜， 幾乎不需要維護，使用壽命更長。然而， 無刷電機的控制更加復雜。交流電機主要有三種類型：交流感應電機 (ACIM)、 永磁同步電機 (PMSM) 和無刷直流 (BLDC) 電機。

交流感應電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成， 定子具有多個繞組，而轉(zhuǎn)子由多個導電條構(gòu)成。根據(jù)法拉第定律， 當交流電流通過定子繞組時，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場。旋轉(zhuǎn)電磁場在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電流。轉(zhuǎn)子中的感應電流會產(chǎn)生一個阻礙定子磁場變化的磁場。這種阻礙作用產(chǎn)生的力使轉(zhuǎn)子沿定子磁場的方向旋轉(zhuǎn)。以同步速度旋轉(zhuǎn)不會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應電流，因此感應電機的運轉(zhuǎn)速度總是略慢于同步速度。轉(zhuǎn)子的同步速度和運轉(zhuǎn)速度之間的差異稱為“轉(zhuǎn)差” 或“轉(zhuǎn)差角” ，典型的轉(zhuǎn)差值在 2% 到 6% 之間。這就是 ACIM 異步運轉(zhuǎn)的原理。改變輸入電流的頻率可以控制交流感應電機的轉(zhuǎn)速， 例如采用變頻驅(qū)動 (VFD)。

永磁同步電機 (PMSM) 和無刷直流 (BLDC) 電機所采用的定子與 ACIM 相同， 但轉(zhuǎn)子中包含永磁體。這種設計不需要感應電流，因此能效更高 在這類電機中，轉(zhuǎn)子速度等于定子電磁場的速度，也就是同步運行。PMSM 和 BLDC 的區(qū)別在于控制方式和反電動勢 (BEMF) 響應。BLDC 的 BEMF 響應是梯形的， 而 PMSM 的響應是正弦的。

ACIM 和 PMSM/BLDC 非常適合連續(xù)運行且需要精確的速度和扭矩控制的場景， 通常用于傳送帶、物料搬運系統(tǒng)、 泵和壓縮機等重型應用。因包含永磁體， 這些電機的成本較高。

表 1：交流感應電機與永磁同步/無刷直流電機對比

步進電機和伺服系統(tǒng)用于精確定位和受控運動場景，廣泛用于驅(qū)動機械臂、 裝配線、 升降輔助設備和其他需要保持和定位的類似應用。此類系統(tǒng)的特點是高準確性和良好的可重復性。

步進電機的轉(zhuǎn)子通常包含永磁體和多個小齒，而齒數(shù)決定了步數(shù)。定子也有小齒， 但數(shù)量少于轉(zhuǎn)子。就分布方式而言，有些與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊，有些則反之。定子線圈分為兩組獨立線圈。通電后， 線圈產(chǎn)生的磁場使齒部對齊， 從而使轉(zhuǎn)子精確地轉(zhuǎn)動一步。通過反復給兩組線圈通電， 無需任何反饋即可實現(xiàn)非常精確的運動， 這種方式稱為開環(huán)控制。

步進電機驅(qū)動器可以是單極的，也可以是雙極的。雙極步進電機的電流在兩個方向上流動， 并且需要全橋逆變器來驅(qū)動兩組繞組中的每一組。相比之下， 單極步進電機只需要電流單向流動，控制更加簡單。此類電機可通過簡單的高側(cè)或低側(cè)開關(guān)進行控制， 成本效益更佳。

伺服電機在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)運行。系統(tǒng)采用編碼器的反饋來比較電機的實際位置與所需值。閉環(huán)可保障準確控制位置。伺服電機系統(tǒng)主要由三部分組成：電機、 反饋裝置和控制電路。電機產(chǎn)生機械動力，可以是有刷直流電機、BLDC 電機、 PMSM 電機或 ACIM 電機。反饋裝置提供有關(guān)電機位置、 扭矩和速度的信息?？刂齐娐坟撠煴容^所需位置與實際位置，并調(diào)整輸出以糾正存在的任何差異。

表 2：步進電機與伺服電機系統(tǒng)對比

電機控制技術(shù)

梯形控制算法又稱六步控制法，是較簡單的控制算法，通過讓電流同時流過兩相， 第三相懸空， 使得電機有六種離散狀態(tài)。此方法可產(chǎn)生高扭矩， 但與其他更先進的算法相比， 噪聲和振動較大。

在正弦控制中，施加于電機繞組的電流波形是正弦波形，這種方法可降低扭矩紋波。但需要精確同步和識別轉(zhuǎn)子位置，因此實現(xiàn)起來更加復雜。

與正弦控制相比， 磁場定向控制 (FOC) 在高速下可提供更高能效， 在動態(tài)負載下的性能也比上述技術(shù)更優(yōu)異。在整個換向過程中， FOC 讓定子和轉(zhuǎn)子保持九十度對齊來優(yōu)化電機扭矩， 從而降低扭矩紋波， 讓旋轉(zhuǎn)過程更平穩(wěn)、 更靜音。

轉(zhuǎn)子位置

檢測轉(zhuǎn)子位置常需使用霍爾效應傳感器。當轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾效應傳感器時， 它會向控制器提供有關(guān)磁極位置的信息?；魻栃獋鞲衅魍ǔＲ?120 度

間隔分布。

在無傳感器應用中，可通過測量反電動勢 (BEMF)確定轉(zhuǎn)子位置和開關(guān)信號。圖 5 對比了霍爾傳感器與反電動勢的情況。其他方法包括利用光學或電感傳感器來獲取有關(guān)轉(zhuǎn)子位置的準確信息。

圖 5：霍爾傳感器輸出與反電動勢測量結(jié)果對比

未完待續(xù)，下期將主要介紹方案概述，幫助您全面了解工業(yè)電機驅(qū)動設計要點。