飛兆案例：功率器件提高電機設計的效率水平

隨著(zhù)節能成為全球范圍關(guān)注的焦點(diǎn)，電機設計的能效也成為一個(gè)引人關(guān)注的問(wèn)題。由于各國政府相繼出臺各種法規來(lái)要求提高能效，為了應對能效挑戰，電機驅動(dòng)電路變得越來(lái)越復雜。本文將討論電機驅動(dòng)電路產(chǎn)品、行業(yè)趨勢，以及有助于設計人員降低能耗，提高可靠性、減少部件數目及實(shí)現環(huán)保的解決方案。

工業(yè)領(lǐng)域的電機種類(lèi)

近100年來(lái)，電器產(chǎn)品一直都主要使用感應電機，即使變頻驅動(dòng)也是采用感應電機?，F在某些新型電器開(kāi)始采用效率更高、尺寸更緊湊、重量更輕的電機。這些新型電機可明顯分為兩大類(lèi)，即無(wú)刷直流電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機。

許多常見(jiàn)的家用電器都采用帶變頻驅動(dòng)的無(wú)刷直流電機。這類(lèi)高效的通用電機具有高轉矩密度。隨著(zhù)能源價(jià)格飆升，業(yè)界重新燃起了對無(wú)刷直流電機的興趣。而一直以來(lái)，阻礙這種電機獲得廣泛采用的主要原因是成本，以及驅動(dòng)設計的整體復雜性。

開(kāi)關(guān)磁阻電機則多見(jiàn)于吸塵器和手持電動(dòng)工具這類(lèi)不關(guān)注電機噪聲和轉矩波動(dòng)的電器中。開(kāi)關(guān)磁阻電機的特點(diǎn)是轉矩大、轉速高，且價(jià)位非常具有競爭力。

無(wú)刷直流電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機都要使用一個(gè)微控制器或DSP來(lái)實(shí)現波形整理；然后用功率開(kāi)關(guān) (功率 MOSFET或 IGBT) 放大這些整理后的波形。

驅動(dòng)電路概述

設計變頻驅動(dòng)電路可有以許多不同的方式。在典型的三相電機中，最流行的低頻驅動(dòng)方案是梯形波驅動(dòng)電路。

圖1：梯形波控制方法及實(shí)際測試波形

如果需要更高的頻率和性能，則可采用PWM方法來(lái)產(chǎn)生正弦波。要再進(jìn)一步提高效率，便可采用空間矢量調制 (Space Vector Modulation) 法。

永磁三相同步電機有兩個(gè)流行的型款：正弦永磁同步電機和梯形波無(wú)刷直流電機。正弦永磁同步電機與梯形波無(wú)刷直流電機 (電氣性能) 非常相似。主要有以下兩個(gè)方面的差別：

? 電機構造 — 反電動(dòng)勢 (BEMF) 的波形不同；一個(gè)是感應電壓正弦永磁同步電機，一個(gè)是 梯形波無(wú)刷直流電機。

? 控制 —控制電壓的波形不同；一個(gè)采用三相正弦 (所有三個(gè)相位同時(shí)有電流流過(guò)），一個(gè)采用矩形六步換流 (始終有一相位（不）導通)。

在新型驅動(dòng)裝置中，正弦永磁同步電機越來(lái)越流行，開(kāi)始在很多應用中取代有刷，無(wú)刷直流電機、通用（交流異步）電機和其它電機 （如家用變頻空調，工業(yè)縫紉機等）。其原因是它更可靠 (無(wú)刷)、效率更高、噪聲更小，而且在電控制方面具有如更高的電壓利用率及低頻轉矩。圖2和圖3所示為一種基于磁場(chǎng)定位（FOC field oriented control） 的無(wú)位置傳感矢量控制器系統框圖及試驗波形。

圖2：IPMSM矢量控制系統框圖

圖3：電磁轉矩方程式相電流與估算角度實(shí)驗波形