高性能和高效馬達控制器設計

　　馬達是將電能轉換為機械能從而實(shí)現自動(dòng)化的重要產(chǎn)品，并且他廣泛的應用于工業(yè)控制，醫療電子，白色家電，汽車(chē)電子等領(lǐng)域。據英國市場(chǎng)研究機構IMS Research最新發(fā)表的報告指出：即使在全球金融風(fēng)暴的陰霾中，中國自動(dòng)化控制市場(chǎng)依然將保持較快增長(cháng)。而中國長(cháng)期粗放型的生產(chǎn)過(guò)程造成馬達控制方式的簡(jiǎn)陋和低效，優(yōu)化馬達控制成為業(yè)內實(shí)現環(huán)保節能，提高生產(chǎn)力的重要手段之一。

　　功率因數校正 (PFC)在馬達控制中的應用

　　功率因數校正 (PFC) 之所以能帶來(lái)更高的電網(wǎng)效率，是因為它支持系統調節其吸取的電力。這就使得系統只吸取它們需要的電力，從而減少意外峰值的發(fā)生。因此，電力公司無(wú)需生產(chǎn)更多的電力來(lái)補償突發(fā)峰值。正因如此，PFC 將成為許多市場(chǎng)的一個(gè)關(guān)鍵要求——例如，IEC 60730 就要求所有在歐洲銷(xiāo)售的白色家電均要具有 PFC 功能。

　　馬達控制器也感到了對于更高效率的迫切需求。諸如磁場(chǎng)導向控制等技術(shù)能夠更加精確地控制馬達，從而使馬達能在各種速度下運轉并保持峰值效率。通過(guò)將先進(jìn)的馬達控制技術(shù)同功率因數校正相結合，馬達控制系統可以滿(mǎn)足更高能效需求。

　　將浪涌電流限制和PFC結合應用于白色家電馬達。當歐洲強制要求80W及以上的電氣負載以高功率因數的方式消耗電路中的電流時(shí)，這意味著(zhù)人類(lèi)在資源和環(huán)境保護方面又向前邁出了一步。當然，許多消費類(lèi)電子產(chǎn)品也由此受到了影響，其中包括白色家電。由于配置了逆變器用于電動(dòng)馬達的驅動(dòng)，所以諸如空調、冰箱、洗衣機和干燥機之類(lèi)的許多家電的負載非常復雜。一般而言，復雜負載的功率因數都比較低。通過(guò)強制校正上述家用電器的功率因數，可更好地利用輸電線(xiàn)路送來(lái)的電能，從而節約能源并同時(shí)降低電能成本和減少燃燒礦物燃料而產(chǎn)生的二氧化碳排放。當今世界，很多政府監管部門(mén)都已經(jīng)強制要求在白色家電中要具有類(lèi)似的PFC 功能。

　　電驅動(dòng)馬達中降低能耗的兩種主要方式

　　近些年來(lái)，家用電器對節能的要求變得越來(lái)越強烈。這是很顯然的，僅電冰箱所消耗的能量就超過(guò)家庭用電量的10%。由于電冰箱的馬達主要在低速運轉，就有非常大的節能潛力，通過(guò)在低速驅動(dòng)器中簡(jiǎn)單改進(jìn)馬達的驅動(dòng)效率就能實(shí)現。

　　同樣，據估計工業(yè)用電的65%被電驅動(dòng)馬達所消耗，毫無(wú)疑問(wèn)，商家正逐漸意識到節能將成為改善收益率和競爭能力的關(guān)鍵。在電驅動(dòng)馬達中降低能量消耗有兩種主要的方式：改善馬達本身的效率和使用可調速驅動(dòng)器來(lái)有效地控制其工作速度。下面將介紹這兩種方法。馬達設計中提升更高的效率。

　　馬達控制技術(shù)中的過(guò)熱保護

　　馬達驅動(dòng)的電器在使用中可能出現的危險有電擊危險，起火危險與過(guò)熱危險。過(guò)熱保護在馬達控制技術(shù)中顯得尤為重要，如果不對馬達采取保護措施，就可能造成安全事故。下面就過(guò)熱危險討論一下馬達的過(guò)熱保護。馬達過(guò)熱的原因有很多，例如運行過(guò)載，選型不合適，冷卻故障，缺乏監控和必要的維護導致絕緣過(guò)早老化等。馬達在運行時(shí)都會(huì )產(chǎn)生損耗，這些損耗一方面降低了馬達的效率，另一方面損耗轉變成馬達發(fā)熱，使馬達繞組的溫度升高。繞組絕緣材料的使用壽命，同它的工作溫度有關(guān)，溫度過(guò)高，絕緣材料就會(huì )加速老化，使絕緣性能急劇降低，大幅縮短馬達的使用壽命，甚致出現火災危險與觸電危險。所以，馬達過(guò)熱保護的目的，主要是在馬達的設計、制造、安裝以及使用環(huán)節采用保護措施，當馬達在一定的負載和散熱條件下工作時(shí)，繞組的溫度不超過(guò)標準的允許值。

　　數字馬達控制系統設計

　　數字電機控制首次被引入克服傳統模擬系統在處理漂移、元件老化和溫度引起的變化的挑戰。靈活的軟件算法不僅解決了有關(guān)元件兼容性的問(wèn)題，而且使開(kāi)發(fā)人員靈活的處理時(shí)間環(huán)境條件下的變化。例如，不是僅僅能夠把風(fēng)扇電機完全開(kāi)或關(guān)，而是通過(guò)數字化工具，風(fēng)扇轉速可以根據系統溫度來(lái)調整。此外，系統可以自我校正，從而不再需要進(jìn)行定期的人工維護。

　　設計數字馬達控制系統時(shí)需要考慮的主要問(wèn)題是需針對實(shí)施選擇合適的處理器，同時(shí)處理器字長(cháng)也至關(guān)重要。設計人員需要關(guān)注定點(diǎn)處理器中因定點(diǎn)數表示法而引起的量化誤差問(wèn)題。這些誤差將會(huì )降低控制系統的性能，使設計人員無(wú)法最大限度地發(fā)揮出高級算法的優(yōu)勢。

　　理解并控制數字馬達控制系統的量化誤差--第一部分

　　理解并控制數字馬達控制系統的量化誤差--第二部分

　　白皮書(shū)——高性能和高效馬達控制系統設計

　　最后，此次半月談我們以一篇《高性能和高效馬達控制系統設計》白皮書(shū)做為結束。本文提供了一個(gè)電機控制設計概述，如多種電機控制，磁場(chǎng)定向控制，功率因數校正和傳感器控制。還涉及現今的微控制器(MCU)如何為廣泛的應用提供更高的精度，功率效率和低成本。