提高基于電機控制的設(shè)計的性能效率

    這篇“產(chǎn)品操作方法”文章重點介紹如何在嵌入式系統(tǒng)中使用某種產(chǎn)品，由公司代表撰寫。
    無刷直流 (BLDC) 和永磁同步 (PMSM) 電機由于效率高且生產(chǎn)成本日益便宜，因此需求不斷增加。這些類型的電機預(yù)計將在 750W 至 5kW 的低功率范圍內(nèi)獲得市場重要性特別。
    因此，設(shè)計人員面臨著降低電機安裝成本（包括控制系統(tǒng)）的壓力，而這正是更高效的低成本微控制器可以提供幫助的地方。然而，了解這些要求有助于說明控制電路設(shè)計人員需要關(guān)注哪些功能，才能以的硅投資獲得性能。
    此外，模塊化軟件塊和硬件參考設(shè)計提供快速電機控制解決方案。電機控制軟件例程經(jīng)過驗證并保持不變，與電機尺寸無關(guān)，因此包括白色家電到主要工業(yè)裝置的應(yīng)用都可以由相同的設(shè)備驅(qū)動。
    了解電機
    電機有兩個主要部分：非移動部分稱為定子，移動部分通常位于定子內(nèi)部，稱為轉(zhuǎn)子。根據(jù)電機類型，定子和轉(zhuǎn)子可由線圈繞組或永磁體組成。
    為了使電機能夠旋轉(zhuǎn)，需要兩個磁通量，一個來自定子，另一個來自轉(zhuǎn)子。通過控制施加的電流，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。電機由于旋轉(zhuǎn)磁場的相互作用而旋轉(zhuǎn)，因為轉(zhuǎn)子的磁場試圖與定子的磁場對齊。
    有刷直流電機依靠機械系統(tǒng)來傳輸電流。有刷電機的中心有一個繞線轉(zhuǎn)子，永磁體定子粘合到圍繞轉(zhuǎn)子的鋼環(huán)上。換向器提供了一種將固定電源連接到旋轉(zhuǎn)線圈的方法，通常通過騎在光滑導(dǎo)電板上的導(dǎo)電刷來連接。當(dāng)電刷與換向器接觸時，電流通過轉(zhuǎn)子線圈。單個線圈轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的不均勻扭矩可以通過添加額外的線圈和換向器片來平滑。
    另一方面，交流感應(yīng)電機不依賴機械系統(tǒng)來控制電流，而是使電流流過直接或通過固態(tài)電路連接到電源的定子。
    電機定子具有多個線圈繞組，當(dāng)由交流電驅(qū)動時，它們作為一組電磁體運行以產(chǎn)生所需的磁通。它通常有一個鼠籠式轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)子兩端的環(huán)和連接環(huán)的桿組成，這些桿沿著轉(zhuǎn)子的長度延伸。在三相電機中，定子線圈順序通電和斷電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。這會感應(yīng)電流在鼠籠式轉(zhuǎn)子的桿中流動，進而產(chǎn)生另一個磁場。
    無刷直流電機詳細信息
    術(shù)語“BLDC”是一個營銷驅(qū)動的標(biāo)簽，旨在宣傳這樣一種理念：配備適當(dāng)驅(qū)動器的 BLDC 電機是有刷直流電機及其驅(qū)動器的合適直接替代品。從技術(shù)上講，BLDC 電機仍然是交流電機；也就是說，需要交流電輸入才能使電機移動。
    BLDC 電機是一種旋轉(zhuǎn)電機，其定子是經(jīng)典的三相繞線定子，與感應(yīng)電機類似。BLDC 轉(zhuǎn)子不是感應(yīng)轉(zhuǎn)子，而是具有表面安裝的永磁體，可提供穩(wěn)態(tài)磁場。
    當(dāng)繞線定子通入三相交流電時，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子與其同步旋轉(zhuǎn)。BLDC 電機具有梯形分布繞組，由與給定轉(zhuǎn)子位置耦合的梯形電流驅(qū)動。
    與 BLDC 電機類似，PMSM 的轉(zhuǎn)子由永磁體組成。PMSM 的定子的三相繞組呈正弦分布，這與 BLDC 電機中的梯形分布相反。它的工作方式與 BLDC 電機相同，當(dāng)繞線定子由三相交流電供電時，它會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與其同步旋轉(zhuǎn)。
    PMSM 具有正弦分布繞組，由與給定轉(zhuǎn)子位置耦合的正弦電流驅(qū)動。電機僅消耗滿足負載所需的功率和能量，因此為了節(jié)省能源，可以選擇減少負載、減少運行時間或提高效率。
    電機的效率是衡量其將電能轉(zhuǎn)化為有用功的程度的指標(biāo)。輸出機械功率與輸入電功率之間的差異是由于電機中發(fā)生的五種不同損耗造成的，包括：
    因此，以 I2R 表示的電氣損耗 為顯著，并且隨著電機負載的增加而迅速增加。這些似乎是由定子繞組和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中流動的電流的電阻產(chǎn)生的熱量；
    磁損耗 ——由于磁滯和渦流而出現(xiàn)在定子和轉(zhuǎn)子的鋼疊片中；
    機械損失——來自軸承摩擦、通風(fēng)和風(fēng)阻；
    雜散負載損失 - 由于與氣隙缺陷相關(guān)的漏磁通，以及；
    電刷接觸損耗 - 對于有刷直流電機來說，是由電刷和換向器之間的電壓降引起的。
    更高效率的 BLDC 和 PMSM
    在轉(zhuǎn)子中使用永磁體有助于保持 BLDC 電機和 PMSM 轉(zhuǎn)子較小且慣性較低。更重要的是，電機的電損耗比感應(yīng)電機少，因為它們的轉(zhuǎn)子中沒有次級繞組，并且轉(zhuǎn)子磁損耗也低得多。
    轉(zhuǎn)子中沒有電流流動，電機也會產(chǎn)生很少的熱量。與通過交流感應(yīng)電機氣隙或有刷直流電機軸散熱相比，BLDC 電機和 PMSM 的繞線定子結(jié)構(gòu)進一步允許更有效地耗散產(chǎn)生的熱量。
    分別與交流感應(yīng)電機和有刷直流電機的鼠籠式和繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，轉(zhuǎn)子上的慣性也更小。這種高扭矩慣量比使 BLDC 電機和 PMSM 能夠提供比其他電機類型更好的加速率。
    在低功率范圍和需要變速控制的應(yīng)用中，采用 BLDC 電機和 PMSM 與交流感應(yīng)電機相比，效率可提高高達 10% 至 15%，并有可能實現(xiàn) 90% 的運行效率。
    同時，BLDC 電機和 PMSM 也比有刷直流電機更加節(jié)能。出現(xiàn)這種情況是因為電機消除了勵磁電路損耗，并且不會受到電刷引起的摩擦。效率的提高在電機性能曲線的低負載區(qū)域更為明顯。

    此外，對于相同的機械功輸出，BLDC 和 PMSM 總是比交流感應(yīng)電機小，并且通常比有刷直流電機小。這是因為電機的固有結(jié)構(gòu)有利于更好的熱效率，因此電機本體的熱效率較低。熱量消散。從這個角度來看，BLDC 和 PMSM 的制造所需原材料更少，并且可能更具成本效益。

    圖1：eCOG1X電機控制具體外設(shè)
    16 位微控制器（例如外設(shè)豐富的 eCOG1X）自然適合嵌入式電機控制應(yīng)用。這些器件托管許多電機控制專用外設(shè)，有助于并簡化由微控制器處理器執(zhí)行的電機控制應(yīng)用軟件。這些外設(shè)如上面的圖 1 所示。
    六通道 MCPWM 數(shù)字輸出可以直接控制功率驅(qū)動級的開關(guān)晶體管，進而通過逆變橋?qū)⑦m當(dāng)?shù)南辔恍盘柺┘拥诫姍C相位?？梢赃M行完整的四象限驅(qū)動操作，為電機沿任一方向運行提供加速和減速扭矩。
    在使用電位計輸入速度需求和電機運行方向的應(yīng)用中，可以通過 eCOG1X ADC 通道之一進行監(jiān)控。另一個 ADC 通道可用于觀察總定子電流并檢查是否存在過流故障情況。
    通過使用 eCOG1X 輸入捕獲定時器捕獲電機霍爾效應(yīng)傳感器輸出的變化，可以獲得有關(guān)轉(zhuǎn)子位置和速度反饋的信息。

    為了減少設(shè)計時間，還提供了模塊化軟件模塊和硬件參考設(shè)計，后者的示例如下圖2所示。

    圖 2：無刷直流電機和永磁同步電機的控制電路越來越多地使用低成本、高度集成的微控制器來實現(xiàn)。
    正如我們所展示的，無刷直流電機和永磁同步電機由于其高效率和線速度/扭矩特性滿足了降低功率和提高性能的需要，因此在各種消費和工業(yè)應(yīng)用中獲得了廣泛的應(yīng)用。