馬達控制設計:馬達與控制器

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

馬達特性,無論是直流、交流還是步進馬達,都將決定馬達驅動器的設計。為應用選擇最佳馬達時,最重要的是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...

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

效率和能量的轉換在電子設計中一直扮演著重要的角色,在馬達的情況下,轉換發生了兩次:首先是產生控制馬達所需的電能,然後是將電能轉化為驅動力。消除馬達產生的雜訊,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

馬達控制提供了在設計階段提高效率的可能。瞭解每種類型馬達的控制需求,以及最適合特定應用的樣式,有助於確保在任何情況下都具有更高的效率。

在實踐中,馬達由三個部份組成:運動的部份(通常是旋轉的,但也有直線馬達)、固定的部份和產生電磁場的部份。這三個部份分別稱為轉子、定子和換向器。

所有馬達的操作都歸功於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,借此辨識馬達的性能。

不同類型的馬達透過產生磁場的方式相互區分:

  • 連續馬達(DC):靜磁場,由磁鐵或定子繞組產生;使轉子中的繞組旋轉。
  • 交流馬達(AC):動磁場,由電流產生的磁場與轉子之間的相互作用產生。
  • 步進馬達:這類馬達使用一系列電脈衝使馬達軸旋轉。

直流(DC)馬達具有強韌性和可靠性,並且易於建構和控制。直流馬達是將直流電能轉換為機械能的馬達。它使用磁場來產生動作;由永磁轉子和旋轉磁場定子組成,磁場由定子產生。磁鐵在小功率馬達中可以是永久性的(例如鐵氧體),在中功率和大功率馬達中則由專用繞組產生,也稱為繞線磁場。電能透過旋轉的集電環和電刷傳送到轉子(1)。

無刷直流(BLDC)馬達無需接觸馬達軸上的滑動電觸點(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,並大大減少定期維護的需要。

在直流馬達中,產生的扭矩與透過轉子繞組的電流成正比。透過直流驅動器進行的最簡單的控制,作用於電源電壓。電壓越高,轉數就越高。驅動扭矩隨著馬達轉速的變化而變化。它們在動態建模中受到大量使用。

在交流馬達中,磁場的產生是由於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,它們都採用導電材料製作。所有的交流馬達一般都沒有電刷,也就是說,它們不需要滑動觸點來工作。

兩種馬達的主要區別在於速度控制。直流馬達的速度是透過改變電樞繞組的電流來控制的,而交流馬達的速度則是透過改變頻率來控制的。

此外,由於沒有集電環,交流馬達可達到比直流馬達更高的速度,並且可以使用高電壓供電,這在直流馬達中是不可能的,因為集電環葉片彼此靠近。

交流馬達有兩種類型:同步和非同步。同步馬達是一種由交流電驅動的馬達,其轉動週期與電源電壓的頻率同步,通常為三相。它由一個轉子(與軸整合在一起的旋轉元件,其上有幾個由永磁體或直流供電電磁體產生交替極性的磁極)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,它是馬達中存在的磁極擴展數的函數。同步馬達的功率因數可以調節,大型同步馬達的應用無需調速即可提高運作效率。近年來,小型同步馬達越來越多地用於調速系統。

非同步馬達是一種交流電驅動的馬達,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,它不同於同步馬達。在三相馬達中,磁極擴展是3的倍數。非同步馬達具有更高的運行效率和更好的運行特性,從滿載範圍接近恒速運行。它們還能滿足工農業機械中的大部份傳動要求。

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1:直流馬達的功能。(圖片來源:Magnetic Innovations

步進馬達是一種帶無刷電子管理的同步脈衝直流馬達,因此可將其旋轉分步。與所有其他馬達不同,步進馬達的目標是將軸保持在穩定位置。如果只是對其簡單地通電,這種馬達只會停在一個非常精確的位置。

步進馬達在低角速度下具有高扭矩,這對於以最大速度加速有效負載就很有用。此外,步進馬達具有高保持扭矩,這是在驅動馬達的情況下與旋轉相反的扭矩。它通常很高,即使對於小型馬達,當轉子靜止時也會引起「自鎖」。

在步進馬達內部,有幾個繞組/線圈呈圓形排列在定子上,它們像電磁鐵一樣運作。製造商聲明的相數對應於電氣連接線圈的組數。

步進馬達有兩種類型:5到6線的單極和4線的雙極。這兩種類型的區別在於電磁鐵的連接方式。還有混合動力引擎可以使用不同的馬達電纜以單極和雙極兩種模式工作(2)。

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2:步進馬達及其控制器。(圖片來源:Microchip

控制器

馬達的速度和方向控制以馬達在使用中的運作模式為前提,根據馬達的類型和不同應用要求需要不同的技術和電路。

馬達控制器的目的是能夠手動或自動對馬達進行操作(啟停、提前反轉、速度、扭轉和電壓超載保護)。

馬達的控制需要電子電路,直到幾年前,由於涉及的電壓和電流,這些電路都是用離散式元件製成的。馬達控制處於研發活動的最前沿,以在兩個層面上實現高效的微電子解決方案:計算軟體和電力電子。

在計算層面,過去流行的技術是數位訊號處理器(DSP),後來經歷演變,導致了各種解決方案的出現。一個例子是Microchip廣泛的低成本8位元PIC和AVR MCU產品線,以及包含創新馬達控制PWM週邊裝置——包括互補波形、專用時基和快速12位元ADC——的高性能16位元dsPIC數位訊號控制器(DSC)。

IGBT現在已經是第三代,它代表了電力控制元件的基本功能,非常適合解決複雜的馬達控制問題。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係,例如在汽車領域實施逆變器來驅動馬達的情況。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)進行了最佳化,其特點是低Vce(sat)。它基於第三代溝槽閘場終止技術。

碳化矽(SiC)元件在馬達控制和電力控制應用中的使用代表了真正的創新時刻,這要歸功於其節能、減小尺寸、高整合度和可靠性等特性,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。這些元件將快速矽基技術與SiC二極體技術相結合,形成了一種混合技術解決方案。例如,英飛凌科技(Infineon Technologies)生產出整合功率元件,作為其CoolSiC元件系列的一部份(3)。

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圖3:用於7.5kW的CoolSiC MOSFET馬達驅動評估板。(圖片來源:英飛凌)

總結

馬達特性,無論是直流、交流還是步進馬達,都將決定馬達驅動器的設計。

有助於確定有刷直流馬達驅動設計的主要因素即其優點,包括結構簡單、易於驅動和速度控制以及高啟動扭矩。透過改變電源電流或電壓,可以很容易地實現其速度控制。

步進馬達可以透過非常簡單的控制系統實現非常精確的定位。這種馬達主要用於自動化、機器人和電腦週邊(印表機、繪圖器等)。

交流非同步馬達,尤其是三相馬達,在工業中得到廣泛應用,因為其可以直接採用電網供電,並且強韌、可靠而且經濟。然而,由於其難以控制並且啟動性能差,它們的使用僅限於最簡單的動作。

要為應用選擇最佳馬達,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馬達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於負載扭矩曲線的馬達。

(參考原文:Motor control design an introduction to motors and controllers,by Kangbong Seo)

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