工業(yè)電機控制系統(tǒng)

　　引言

　　電機消耗的能量幾乎占全球電力的50%。隨著能源成本的持續(xù)上漲，業(yè)內(nèi)開始采用微處理器調(diào)速驅(qū)動器替代效率低下的固定速率電機和驅(qū)動器，這種新型電機控制技術(shù)與傳統(tǒng)驅(qū)動器相比，能夠使能耗平均降低30%以上。雖然調(diào)速電機提高了系統(tǒng)本身的成本，但是，考慮到電機能夠節(jié)省的能量以及所增加的功能，只需短短幾年即可挽回最初的投資成本。

　　通用電機設計

　　直流電機、無刷直流和交流感應電機是當今工業(yè)應用設計中最常見的電機。

　　直流電機：低成本和高精度驅(qū)動性能

　　直流電機是最先投入使用的電機類型，目前仍然以低開發(fā)成本和卓越的驅(qū)動性能得到普遍應用。在最簡單的直流電機中，定子(即電機固定部件)為永久磁鐵，轉(zhuǎn)子(即電機的轉(zhuǎn)動部件)上纏繞了電樞繞組，電樞繞組連接到機械換向開關(guān)，該開關(guān)控制繞組電流的導通和關(guān)閉。磁鐵建立的磁通量與電樞電流相互作用，產(chǎn)生電磁扭矩，從而使電機做功。電機速度通過調(diào)整電樞繞組的直流電壓進行控制。根據(jù)具體應用的不同，可以采用全橋、半橋或一個簡單的降壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電樞繞組。這些轉(zhuǎn)換器的開關(guān)實現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)，從而獲得相應的電壓。Maxim的高邊或橋式驅(qū)動器IC，如：MAX15024/ MAX15025，可以用來驅(qū)動全橋或半橋電路的FET。直流電機還廣泛用于對速度、精度要求很高的伺服系統(tǒng)。為了滿足速度和精度的要求，基于微處理器的閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)子位置非常關(guān)鍵。Maxim的MAX9641霍爾傳感器能夠用于提供轉(zhuǎn)子的位置信息。

　　交流感應電機：簡單、堅固耐用

　　交流感應電機以簡單、堅固耐用而著稱，被廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。最簡單的交流電機就是一個變壓器，原級電壓連接到交流電壓源，次級短路承載感應電流。“感應”電機的名稱源于“感應次級電流”。定子載有一個三相繞組，轉(zhuǎn)子設計簡單，通常被稱為“鼠籠”，其中，兩端的銅或鋁棒通過鑄鋁環(huán)短路。由于沒有轉(zhuǎn)子繞組和碳刷，這種電機的設計非常可靠。工作在60Hz電壓時，感應電機恒速運轉(zhuǎn)。然而，當采用電源電路和基于微處理器的系統(tǒng)時，可以控制電機速度變化。變速驅(qū)動器由逆變器、信號調(diào)理器和基于微處理器的控制器組成。逆變器采用三個半橋，頂部和底部切換以互補方式控制。Maxim提供多種半橋驅(qū)動器，如MAX15024/MAX15025，可獨立控制頂部和底部FET。

　　精確測量三相電機電流、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速是對感應電機進行高效閉環(huán)控制的必要條件。Maxim提供多款高邊和低邊電流放大器、霍爾傳感器以及同步采樣ADC，能夠在惡劣環(huán)境下精確測量這些參數(shù)。微處理器利用電流和位置數(shù)據(jù)產(chǎn)生三相橋路的邏輯信號。一種常見的閉環(huán)控制技術(shù)稱為矢量控制，它消除了磁場電流矢量和定子磁通量之間的耦合，從而能夠獨立控制，提供更快的瞬態(tài)響應。