在當(dāng)今世界，電機(jī)無處不在，從家用電器到工業(yè)機(jī)械都依賴其提供動(dòng)力。鑒于電機(jī)消耗了全球能源的很大一部分，優(yōu)化電機(jī)控制以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)也不為過。本文深入探討了電機(jī)的結(jié)構(gòu)、變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)的應(yīng)用，以及電機(jī)控制解決方案，包括硬件支持和先進(jìn)算法。

電機(jī)的廣泛應(yīng)用

電機(jī)已深度融入現(xiàn)代生活：從洗衣機(jī)、烘干機(jī)、洗碗機(jī)到泳池水泵等家用電器，到配備40至100個(gè)電機(jī)(視車型配置而定)的現(xiàn)代汽車，再到機(jī)器人及工廠自動(dòng)化設(shè)備密布的工業(yè)環(huán)境，電機(jī)已成為不可或缺的動(dòng)力核心。

能效與能耗

根據(jù)美國能源信息署數(shù)據(jù)，全球約50%的能源消耗來自電機(jī)系統(tǒng)，而在工業(yè)領(lǐng)域，這一比例更高達(dá)80%。以2022年美國為例：全年能耗達(dá)4.07萬億千瓦時(shí)，日均112億千瓦時(shí)——電機(jī)效率每提升1%，每日即可節(jié)約5600萬千瓦時(shí)電力。

電機(jī)能效發(fā)展趨勢

I. 高效電機(jī)

電機(jī)能效的主要發(fā)展趨勢之一是從傳統(tǒng)電機(jī)(如交流感應(yīng)電機(jī))向更高效的類型過渡，包括無刷直流電機(jī)(BLDC)、永磁同步電機(jī)(PMSM)和內(nèi)置式永磁電機(jī)(IPM)。這些電機(jī)具有更高效率和更優(yōu)性能。此外，材料技術(shù)的進(jìn)步(如非晶金屬和稀土磁體的應(yīng)用)進(jìn)一步提升了電機(jī)效率。

· 電機(jī)結(jié)構(gòu)與材料進(jìn)展

在電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，過去一個(gè)世紀(jì)以來材料和設(shè)計(jì)的進(jìn)步顯著提升了電機(jī)的效率和性能。了解電機(jī)的主要組件及其改進(jìn)，可以深入把握這些技術(shù)進(jìn)步。

電機(jī)通常由端蓋、轉(zhuǎn)子、軸承及帶繞組的定子組成。多年來，這些部件的材料不斷演進(jìn)。例如，轉(zhuǎn)子和定子線圈從鋁材轉(zhuǎn)為銅材，提升了導(dǎo)電性和效率。此外，制造精度的進(jìn)步降低了噪音并進(jìn)一步提高了效率。

電機(jī)技術(shù)中一個(gè)顯著趨勢是非晶材料在轉(zhuǎn)子和定子中的應(yīng)用。傳統(tǒng)上采用硅鋼片，但其存在較大的渦流和磁滯損耗。如今正被金屬玻璃等非晶材料取代，這些材料損耗更低，因而能效更高。

永磁電機(jī)領(lǐng)域也取得了重大進(jìn)展。釹、鐵、硼等稀土材料制成的更強(qiáng)磁體可提供更大扭矩和更高效率。然而出于可持續(xù)性考慮，業(yè)界正在探索鋁、鎳、鉻及鐵氧體基磁體等替代材料，這些材料在寬溫域和強(qiáng)磁場環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)良特性。

從滑動(dòng)軸承到滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)型，對(duì)降低摩擦、提高精度從而提升電機(jī)效率起到了關(guān)鍵作用。過去一個(gè)世紀(jì)以來，電機(jī)在保持相同功率輸出的前提下實(shí)現(xiàn)了顯著小型化。以現(xiàn)代5馬力鼠籠式轉(zhuǎn)子三相感應(yīng)電機(jī)(SCIM)為例，其體積大幅縮小，重量僅為1910年同功率電機(jī)的20%左右。這種尺寸縮減得益于更輕量化高效材料的應(yīng)用，以及熱絕緣和電絕緣技術(shù)的進(jìn)步。更輕巧的電機(jī)對(duì)汽車應(yīng)用尤為有利——既可通過減重提升能效，又能將電機(jī)集成到更緊湊的空間。這些技術(shù)進(jìn)步的影響深遠(yuǎn)，造就了能效更高、性能更優(yōu)且更節(jié)能的電機(jī)系統(tǒng)。

電機(jī)材料與設(shè)計(jì)的持續(xù)改進(jìn)，已推動(dòng)能效和性能取得重大突破。從非晶材料與高性能磁體的應(yīng)用，到軸承技術(shù)的演進(jìn)及電機(jī)體積的縮減，這些創(chuàng)新正引領(lǐng)著電機(jī)技術(shù)的未來發(fā)展。隨著對(duì)新材料和新設(shè)計(jì)的不斷探索，電機(jī)系統(tǒng)在能效與性能方面仍有巨大提升空間。

II. 變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)的應(yīng)用

變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)在電機(jī)調(diào)速和能效提升方面的應(yīng)用日益廣泛。通過使電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載需求相匹配，VFD可有效降低能耗。此外，VFD中從絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)到碳化硅(SiC)技術(shù)的升級(jí)，也帶來了更高能效和更快開關(guān)速度。

· 變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)及其技術(shù)影響

變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)通過實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)控制，徹底革新了電機(jī)控制技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)不僅能優(yōu)化電機(jī)性能，更能顯著提升系統(tǒng)能效。其工作原理是通過調(diào)節(jié)供給電機(jī)的頻率和電壓，使電機(jī)始終工作在特定負(fù)載下的最佳效率點(diǎn)。

傳統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)通常以全功率運(yùn)行，依賴節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量，導(dǎo)致大量能量損耗。相比之下，變頻驅(qū)動(dòng)器通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來匹配所需流量，既消除了節(jié)流損耗，又降低了能耗，從而全面提升系統(tǒng)效率。研究數(shù)據(jù)表明，采用變頻驅(qū)動(dòng)器可使電機(jī)系統(tǒng)效率從約31%提升至72%，實(shí)現(xiàn)能效倍增。

Microchip解決方案

Microchip為電機(jī)控制應(yīng)用提供全方位的解決方案，涵蓋硬件支持與先進(jìn)算法。其產(chǎn)品組合包括單片機(jī)、柵極驅(qū)動(dòng)器、功率電子器件及傳感器，均致力于實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的最優(yōu)化。

硬件支持

Microchip為電機(jī)控制系統(tǒng)提供全面的硬件支持，在優(yōu)化性能和效率的同時(shí)加速設(shè)計(jì)和開發(fā)。對(duì)于變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)，它提供采用高效碳化硅(SiC)MOSFET的AC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器，以及用于精確開關(guān)控制的先進(jìn)柵極驅(qū)動(dòng)器。這些由dsPIC®數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)驅(qū)動(dòng)的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為可變頻率交流電，以實(shí)現(xiàn)高效的電機(jī)運(yùn)行。集成傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測電流、電壓和溫度參數(shù)，從而提高系統(tǒng)可靠性。此外，Microchip還提供評(píng)估和開發(fā)板、參考設(shè)計(jì)、軟件庫和開發(fā)工具，以支持復(fù)雜電機(jī)控制算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

III. 高級(jí)控制算法

算法是優(yōu)化電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法(如用于交流感應(yīng)電機(jī)的V/F控制)具有成本效益且簡單易用，但可能無法提供最高效率。更先進(jìn)的算法(如用于BLDC和PMSM電機(jī)的六步換向)可提供更好的轉(zhuǎn)矩控制，可采用有傳感器或無傳感器方案。最有效的算法是磁場定向控制(FOC)，它具有高效率、低噪聲以及出色的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速性能。根據(jù)電機(jī)類型和應(yīng)用需求，F(xiàn)OC可采用有傳感器或無傳感器方式實(shí)現(xiàn)。

Microchip的電機(jī)控制解決方案集成了先進(jìn)算法，包括磁場定向控制(FOC)、最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)和弱磁控制，以實(shí)現(xiàn)效率和性能最大化。這些算法通過MPLAB® motorBench®開發(fā)套件等工具獲得支持，該套件可簡化控制算法的實(shí)施與調(diào)諧。此外，Microchip還提供用于預(yù)測性維護(hù)的機(jī)器學(xué)習(xí)功能，確保電機(jī)始終以最佳效率運(yùn)行，并降低意外故障風(fēng)險(xiǎn)。零速/最大轉(zhuǎn)矩(ZS/MT)控制算法是無需傳感器的FOC算法的新形式，使得無傳感器控制技術(shù)可應(yīng)用于高轉(zhuǎn)矩或低速電機(jī)控制場景。通過采用基于高頻注入(HFI)的可靠初始位置檢測(IPD)方法，ZS/MT技術(shù)能在零速和低速下精確測定轉(zhuǎn)子位置，從而省去霍爾效應(yīng)傳感器的需求。這一特性使其成為鉆孔機(jī)、車庫門開啟器、汽車啟動(dòng)器和電動(dòng)自行車等應(yīng)用的理想選擇。

IV. 物聯(lián)網(wǎng)與人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)的融合應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)與人工智能(AI)技術(shù)的融合為電機(jī)控制帶來了革命性變革。傳感器在電機(jī)控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它們負(fù)責(zé)檢測電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子位置等關(guān)鍵參數(shù)。這些傳感器將數(shù)據(jù)傳送至能夠處理信息的單片機(jī)。通過集成機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這些系統(tǒng)可執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)——通過分析傳感器數(shù)據(jù)來預(yù)判潛在電機(jī)故障或維護(hù)需求。該功能在工業(yè)場景中尤為重要，因?yàn)橐馔怆姍C(jī)故障可能導(dǎo)致嚴(yán)重停機(jī)和財(cái)務(wù)損失。預(yù)測性維護(hù)能確保電機(jī)始終以最佳效率和性能運(yùn)行，從而顯著降低意外故障的發(fā)生概率。

· 預(yù)測性維護(hù)

預(yù)測性維護(hù)利用傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)算法監(jiān)測電機(jī)健康狀況，在潛在問題導(dǎo)致故障前及時(shí)識(shí)別。通過持續(xù)分析電流、扭矩和振動(dòng)等參數(shù)，預(yù)測性維護(hù)可確保電機(jī)高效運(yùn)行，最大限度減少停機(jī)時(shí)間。這一方法在工業(yè)場景中尤為關(guān)鍵，因?yàn)殡姍C(jī)突發(fā)故障可能導(dǎo)致重大生產(chǎn)損失。

Microchip的演示應(yīng)用展示了如何通過MPLAB®機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)套件結(jié)合dsPIC® LVMC電機(jī)控制板實(shí)現(xiàn)電機(jī)預(yù)測性維護(hù)。該系統(tǒng)采用分類模型監(jiān)測電機(jī)的Iq電流，從而判斷其運(yùn)行狀態(tài)——無論是正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還是存在負(fù)載不平衡或軸承破損等異常情況。

結(jié)論

優(yōu)化電機(jī)控制以實(shí)現(xiàn)能效提升，對(duì)于降低全球能耗、提升各類應(yīng)用性能至關(guān)重要。通過采用高效電機(jī)、配備變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)、實(shí)施先進(jìn)控制算法，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效益。Microchip為此提供全面的解決方案，涵蓋硬件、軟件及專業(yè)技術(shù)支持，助力開發(fā)高效電機(jī)控制系統(tǒng)。隨著市場對(duì)節(jié)能解決方案的需求持續(xù)增長，電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步將在滿足這些需求中發(fā)揮關(guān)鍵作用。