[導讀]??點擊上方?“?意法半導體PDSA”，關注我們????????工業(yè)技術的發(fā)展帶動人類走向更文明和進步的世界，當今世界將生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展放到了更為重要的位置。節(jié)能減排在工業(yè)領域是一個核心課題，其中電機系統節(jié)能潛力巨大。電機耗電量約占工業(yè)用電75%左右，提升工業(yè)電機的能效對...
??點擊上方?“?意法半導體PDSA”，關注我們????????
工業(yè)技術的發(fā)展帶動人類走向更文明和進步的世界，當今世界將生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展放到了更為重要的位置。節(jié)能減排在工業(yè)領域是一個核心課題，其中電機系統節(jié)能潛力巨大。電機耗電量約占工業(yè)用電75%左右，提升工業(yè)電機的能效對節(jié)能減排的意義重大。中國頒布的電機能效新標《GB18613-2020電動機能效限定值及能效等級》實施后，高效電機必定成為行業(yè)技術和市場主流和焦點。
但是驅動電機的應用離不開損耗二字，而電機損耗，效率不高的問題也一直困擾著眾多開發(fā)者。為此，我們精心準備了一篇深度文章，帶你探討能源損耗的原因，解鎖提升電機效率的新姿勢！
文末有彩蛋，走過路過別錯過喲！
整個電機驅動系統的損耗
在了解逆變器的設計細節(jié)以及其如何幫助優(yōu)化損耗和整體效率之前，必須綜述整個電機驅動系統的各種損耗原因。讓我們來看看下圖從電氣輸入到機械輸出過程中的損耗。
▲電機驅動系統中的損耗
主要損耗源是定子側的功率損耗，也稱為銅或I2R 損耗。該損耗與負載直接相關，并隨溫度（還有銅電阻）的升高而增加。轉子側也存在焦耳損耗（僅ACIM），這里的電流循環(huán)在轉子鼠籠的鋁或銅條中。轉子磁體的存在消除了這種損耗源（轉子中沒有電流循環(huán)），并減少了定子側的總電流，因為轉子中沒有生成感應磁場。在PMSM 中，轉矩是由定子磁通和轉子磁通相互作用而產生的；而在ACIM 中，轉矩是由定子磁通和定子側在轉子側感應生成的磁通相互作用（利用變壓器效應，轉子為次級側）而產生的。這種根本性的差異解釋了兩種類型電機之間的效率差距。
雜散負載損耗與I2R 損耗有關，因為存在趨膚效應（交流電傾向于集中在導體外表的薄層）和鄰近效應：來自鄰近導體的場影響給定導線的電流密度，導致電阻增加。
這兩種效應只有在高頻率（幾百赫茲及以上）下才會變得明顯，通常可以采用利茨線（定子繞組中的單根導線被導體束取代）來緩解。
鐵（或鐵芯）損耗排在銅損耗之后：產生于磁性材料中，大多發(fā)生在定子側。它們由渦電流和磁滯損耗引起，所以不隨負載的變化而變化，具體取決于材料、幾何形狀和電壓。當受到交變磁通的影響時，渦電流在電機的鋼質外殼中流動。使用互相隔離的鋼片可以減少渦電流；鋼片越薄，渦電流越低。磁滯損耗也是由于磁芯材料中的磁場變化而引起的，根源在于分子間的摩擦。
選擇合適的磁性材料可以減輕這種情況。轉子側也存在鐵損耗，主要發(fā)生在軸鋼、磁體和鐵質材料中（ACIM 和SR 電機），但這種損耗比較小，還沒有加以考慮，因為去掉轉子的熱量比較困難。
如何減少鐵損耗是一個復雜的問題，因為鐵損耗在很大程度上與電機設計有關。然而，我們必須說明，這些高效率的變速電機不完全的采用純正弦電流供電，而是采用基于PWM 的逆變器，以高頻率（通常從幾千赫茲到幾十千赫茲）切斷直流電源來重建正弦電流。這將產生紋波電流并與預期的理想正弦電流疊加，導致更高階的電流諧波注入電機，遠遠高于一次分量（通?？蛇_幾百赫茲）。這些高頻電流分量不可忽視，可能會增加鐵損耗，特別是在某些大功率電機的轉子中。
因此，可以通過額外的線路電感或增加PWM 開關頻率（這在微控制器側很容易做到，盡管這樣可能將損耗從電機轉移到逆變器，我們稍后會講述這一點）來盡可能減少電流總諧波失真（THD）。
最后，由于（在滾珠軸承中）存在摩擦和風阻損耗，機械損耗還會在電機內產生熱量。這些氣動損耗是由轉子和定子之間的空氣摩擦引起的；高速電機（轉速超過20kRPM）中的氣動損耗可占電機總損耗的25%。
交流逆變器的損耗
聊完了整個電機驅動系統損耗的原因，我們再來細看下交流逆變器的主要損耗。
▲數字交流逆變器的簡化視圖
上圖是一種數字交流逆變器的簡化視圖，該逆變器以一個微控制器（大腦）向由6 個電源開關（肌肉）組成的功率級發(fā)布指令，從而控制電機。在該例（不使用市電）中，在逆變器的輸入端，一個二極管整流器和一個大容量電容器（基于IGBT 電源開關）將單相固定頻率交流線路轉變?yōu)楣潭妷褐绷髂妇€。如果是電池供電的應用，沒有整流器，開關通常是功率MOSFET。
逆變器損耗主要來自于由MCU 產生的PWM 信號控制的6 個電源開關，這些開關的開關頻率通常在幾kHz 到幾十kHz 之間。每個晶體管只是作為一個起開/關作用的開關（在飽和區(qū)域或阻塞或導通），所以電機相電壓只能有3 個值：當低側開關接通時接地；當高側開關接通時連接到母線電壓；或者在兩個開關都斷開時懸空（在這種情況下，電壓是由續(xù)流二極管中流動的電流方向施加的）。損耗是由電源開關的非理想特性導致的，分為兩部分：導通損耗和開關損耗。
開關接通時，即使在飽和模式下，也存在殘余電壓：使用IGBT時會存在VCE(sat)；使用MOSFET時會存在VDS(on)。該電壓乘以電流就得到功率晶體管中的導通損耗。且開關的接通和斷開需要時間，在此期間會出現高電壓和大電流，這就是開關損耗的主要原因。而且，柵極驅動也會導致開關損耗。晶體管有容柵，每次換向時都必須進行充放電。這種開關損耗不可忽視，而且與開關頻率成正比。
電機的焦耳損耗
電機的焦耳損耗占總損耗的大部分。焦耳損耗與流入電機的電流的平方成正比。因此，必須確保每一mA都是有用途的，并且確保電機不要超磁通飽和量。因此，我們接下來將考慮通過電機控制方法使它們以最高效率運行，不論軸上的負載如何變化。如果排除磁阻型電機，則電機產生的轉矩與磁場及其相位關系成正比。
負載角為90°時的轉矩最大，公式如下：
轉矩 ≈ Bstator ? Brotor ? sin（角度）
在他勵直流電機中，我們可以獨立控制定子內產生主磁場的電流和轉子繞組內調節(jié)電樞磁場的電流，而集電極和電刷的機械排列可確保兩者之間完美的90°角位置。這就使這些電機適合伺服驅動型應用，這些應用要求非常好的動態(tài)性能，即能夠處理陡峭的負載變化并遵循激進的速度配置文件。無刷電機很難做到這一點，因為我們只能控制定子電流，沒有電刷用于控制負載角度。
現在已經非常成熟的磁場定向控制技術為無刷電機的磁場和轉矩指令提供了獨立和解耦控制方法。它初次被引入是為了提高交流感應電機的控制，并提供非常靈敏的轉矩響應。它也可以用于控制其他類型的電機（如永磁同步電機），能夠精確地讓定子磁通始終比磁體提前90°，以提供最大的轉矩，從而獲得最佳效率。實際上，永磁同步電機的設計限制會使事情稍微復雜一些。當磁體不是安裝在轉子表面，而是在轉子內部（內部永磁體，IPM）時，其位置會產生一些影響。
這就需要介紹電機的各向異性，即定子的電感不是恒定的，而是根據轉子和定子之間的角度在空間上發(fā)生變化。我們必須區(qū)分電感的兩個分量Ld 和Lq（d 表示直軸，q 表示交軸）；而對于各向同性電機，定子的電感值是恒定的。Ld 與Lq 的差產生了作為電磁轉矩一部分的磁阻轉矩（無磁體式磁阻電機只使用磁阻轉矩來產生機械功率）。
然而，對于基于永磁體的電機，該效果適得其反。觀察下圖，可以看到同步轉矩在負載角為π/2時達到峰值，而磁阻轉矩在負載角為3π/4 時最大；在繪制總轉矩圖形時，這種現象明顯改變了電機的轉矩vs 角度特性。此外，該特性現在也取決于定子電流：峰值轉矩隨著電機電流而變化，當電機電流分別達到標稱電流（IN）的80%和100%時，我們可以在曲線上看到這樣的變化。
這種磁阻效應在IPM 電機中很明顯，但也可發(fā)生于其他類型的電機中。乍看之下，它沒有明顯影響，可以忽略不計：適當調諧的磁場定向控制（用于保持π/2 的負載角）將調節(jié)轉矩水平以遵循速度命令，并將增加電流控制器設定值。然而該控制在能源方面不能達到最優(yōu)，（對于給定的轉矩）電流高于必要水平，這導致額外的電機（焦耳）和逆變器（導通）損耗。如果控制器遵循最優(yōu)的最大轉矩電流比（MTPA）軌跡，則實際上可以根據負載條件調整目標負載角度，從而提高效率。在下面的第二張圖里可以看出，在輕負載時，該角度接近π/2，并隨著電機中電流的增加而逐漸變大。只需知道電機的Ld 和Lq 電感即可計算出MTPA 軌跡。
▲IPM 電機中磁阻和同步轉矩在總轉矩中的占比
▲通過MTPA 軌跡進行效率優(yōu)化
ST完整的開發(fā)生態(tài)系統來支招！
列舉了以上這些損耗原因和部分效率優(yōu)化概念，相信大家都想知道要如何具體地實現這些概念，別著急，有我們來給你支招！
意法半導體開發(fā)了全新系列微控制器STM32G4。除了DSP和FPU指令，STM32G4系列混合信號MCU集成了新型數學運算單元和大量模擬外設，成為適合電機控制的MCU。
許多其他STM32 系列（CPU 頻率范圍48 - 480MHz）也適用于電機控制，所有這些都有全面的硬件和軟件生態(tài)系統支持。
在軟件方面，STM32 電機控制軟件開發(fā)工具包提供一站式服務，包括固件庫、用于測量電氣參數的電機Profiler、以及用于代碼生成和實時控制可以微調的電機控制工作平臺。
此外，它還包含：
STM32 電機控制工作臺進一步減少了STM32 PMSM FOC 固件配置所需的設計工作量和時間，并直接與STM32 CubeMX 交互以生成代碼。
▲STM32 電機控制工作站
無論你考慮使用哪種電機，意法半導體都會幫助您發(fā)揮其最大效用。我們正在開發(fā)新的庫/算法，并提供從碳化硅MOSFET 到混合信號STM32 微控制器的各種創(chuàng)新組件。
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STM_IPGChina" data-signature="意法半導體中國區(qū)功率
工業(yè)技術的發(fā)展帶動人類走向更文明和進步的世界，當今世界將生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展放到了更為重要的位置。節(jié)能減排在工業(yè)領域是一個核心課題，其中電機系統節(jié)能潛力巨大。電機耗電量約占工業(yè)用電75%左右，提升工業(yè)電機的能效對節(jié)能減排的意義重大。中國頒布的電機能效新標《GB18613-2020電動機能效限定值及能效等級》實施后，高效電機必定成為行業(yè)技術和市場主流和焦點。
但是驅動電機的應用離不開損耗二字，而電機損耗，效率不高的問題也一直困擾著眾多開發(fā)者。為此，我們精心準備了一篇深度文章，帶你探討能源損耗的原因，解鎖提升電機效率的新姿勢！
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整個電機驅動系統的損耗
在了解逆變器的設計細節(jié)以及其如何幫助優(yōu)化損耗和整體效率之前，必須綜述整個電機驅動系統的各種損耗原因。讓我們來看看下圖從電氣輸入到機械輸出過程中的損耗。
▲電機驅動系統中的損耗主要損耗源是定子側的功率損耗，也稱為銅或I2R 損耗。該損耗與負載直接相關，并隨溫度（還有銅電阻）的升高而增加。轉子側也存在焦耳損耗（僅ACIM），這里的電流循環(huán)在轉子鼠籠的鋁或銅條中。轉子磁體的存在消除了這種損耗源（轉子中沒有電流循環(huán)），并減少了定子側的總電流，因為轉子中沒有生成感應磁場。在PMSM 中，轉矩是由定子磁通和轉子磁通相互作用而產生的；而在ACIM 中，轉矩是由定子磁通和定子側在轉子側感應生成的磁通相互作用（利用變壓器效應，轉子為次級側）而產生的。這種根本性的差異解釋了兩種類型電機之間的效率差距。
雜散負載損耗與I2R 損耗有關，因為存在趨膚效應（交流電傾向于集中在導體外表的薄層）和鄰近效應：來自鄰近導體的場影響給定導線的電流密度，導致電阻增加。
這兩種效應只有在高頻率（幾百赫茲及以上）下才會變得明顯，通常可以采用利茨線（定子繞組中的單根導線被導體束取代）來緩解。
鐵（或鐵芯）損耗排在銅損耗之后：產生于磁性材料中，大多發(fā)生在定子側。它們由渦電流和磁滯損耗引起，所以不隨負載的變化而變化，具體取決于材料、幾何形狀和電壓。當受到交變磁通的影響時，渦電流在電機的鋼質外殼中流動。使用互相隔離的鋼片可以減少渦電流；鋼片越薄，渦電流越低。磁滯損耗也是由于磁芯材料中的磁場變化而引起的，根源在于分子間的摩擦。
選擇合適的磁性材料可以減輕這種情況。轉子側也存在鐵損耗，主要發(fā)生在軸鋼、磁體和鐵質材料中（ACIM 和SR 電機），但這種損耗比較小，還沒有加以考慮，因為去掉轉子的熱量比較困難。
如何減少鐵損耗是一個復雜的問題，因為鐵損耗在很大程度上與電機設計有關。然而，我們必須說明，這些高效率的變速電機不完全的采用純正弦電流供電，而是采用基于PWM 的逆變器，以高頻率（通常從幾千赫茲到幾十千赫茲）切斷直流電源來重建正弦電流。這將產生紋波電流并與預期的理想正弦電流疊加，導致更高階的電流諧波注入電機，遠遠高于一次分量（通?？蛇_幾百赫茲）。這些高頻電流分量不可忽視，可能會增加鐵損耗，特別是在某些大功率電機的轉子中。
因此，可以通過額外的線路電感或增加PWM 開關頻率（這在微控制器側很容易做到，盡管這樣可能將損耗從電機轉移到逆變器，我們稍后會講述這一點）來盡可能減少電流總諧波失真（THD）。
最后，由于（在滾珠軸承中）存在摩擦和風阻損耗，機械損耗還會在電機內產生熱量。這些氣動損耗是由轉子和定子之間的空氣摩擦引起的；高速電機（轉速超過20kRPM）中的氣動損耗可占電機總損耗的25%。
交流逆變器的損耗
聊完了整個電機驅動系統損耗的原因，我們再來細看下交流逆變器的主要損耗。
▲數字交流逆變器的簡化視圖上圖是一種數字交流逆變器的簡化視圖，該逆變器以一個微控制器（大腦）向由6 個電源開關（肌肉）組成的功率級發(fā)布指令，從而控制電機。在該例（不使用市電）中，在逆變器的輸入端，一個二極管整流器和一個大容量電容器（基于IGBT 電源開關）將單相固定頻率交流線路轉變?yōu)楣潭妷褐绷髂妇€。如果是電池供電的應用，沒有整流器，開關通常是功率MOSFET。
逆變器損耗主要來自于由MCU 產生的PWM 信號控制的6 個電源開關，這些開關的開關頻率通常在幾kHz 到幾十kHz 之間。每個晶體管只是作為一個起開/關作用的開關（在飽和區(qū)域或阻塞或導通），所以電機相電壓只能有3 個值：當低側開關接通時接地；當高側開關接通時連接到母線電壓；或者在兩個開關都斷開時懸空（在這種情況下，電壓是由續(xù)流二極管中流動的電流方向施加的）。損耗是由電源開關的非理想特性導致的，分為兩部分：導通損耗和開關損耗。
開關接通時，即使在飽和模式下，也存在殘余電壓：使用IGBT時會存在VCE(sat)；使用MOSFET時會存在VDS(on)。該電壓乘以電流就得到功率晶體管中的導通損耗。且開關的接通和斷開需要時間，在此期間會出現高電壓和大電流，這就是開關損耗的主要原因。而且，柵極驅動也會導致開關損耗。晶體管有容柵，每次換向時都必須進行充放電。這種開關損耗不可忽視，而且與開關頻率成正比。
電機的焦耳損耗
電機的焦耳損耗占總損耗的大部分。焦耳損耗與流入電機的電流的平方成正比。因此，必須確保每一mA都是有用途的，并且確保電機不要超磁通飽和量。因此，我們接下來將考慮通過電機控制方法使它們以最高效率運行，不論軸上的負載如何變化。如果排除磁阻型電機，則電機產生的轉矩與磁場及其相位關系成正比。
負載角為90°時的轉矩最大，公式如下：
轉矩 ≈ Bstator ? Brotor ? sin（角度）
在他勵直流電機中，我們可以獨立控制定子內產生主磁場的電流和轉子繞組內調節(jié)電樞磁場的電流，而集電極和電刷的機械排列可確保兩者之間完美的90°角位置。這就使這些電機適合伺服驅動型應用，這些應用要求非常好的動態(tài)性能，即能夠處理陡峭的負載變化并遵循激進的速度配置文件。無刷電機很難做到這一點，因為我們只能控制定子電流，沒有電刷用于控制負載角度。
現在已經非常成熟的磁場定向控制技術為無刷電機的磁場和轉矩指令提供了獨立和解耦控制方法。它初次被引入是為了提高交流感應電機的控制，并提供非常靈敏的轉矩響應。它也可以用于控制其他類型的電機（如永磁同步電機），能夠精確地讓定子磁通始終比磁體提前90°，以提供最大的轉矩，從而獲得最佳效率。實際上，永磁同步電機的設計限制會使事情稍微復雜一些。當磁體不是安裝在轉子表面，而是在轉子內部（內部永磁體，IPM）時，其位置會產生一些影響。
這就需要介紹電機的各向異性，即定子的電感不是恒定的，而是根據轉子和定子之間的角度在空間上發(fā)生變化。我們必須區(qū)分電感的兩個分量Ld 和Lq（d 表示直軸，q 表示交軸）；而對于各向同性電機，定子的電感值是恒定的。Ld 與Lq 的差產生了作為電磁轉矩一部分的磁阻轉矩（無磁體式磁阻電機只使用磁阻轉矩來產生機械功率）。
然而，對于基于永磁體的電機，該效果適得其反。觀察下圖，可以看到同步轉矩在負載角為π/2時達到峰值，而磁阻轉矩在負載角為3π/4 時最大；在繪制總轉矩圖形時，這種現象明顯改變了電機的轉矩vs 角度特性。此外，該特性現在也取決于定子電流：峰值轉矩隨著電機電流而變化，當電機電流分別達到標稱電流（IN）的80%和100%時，我們可以在曲線上看到這樣的變化。
這種磁阻效應在IPM 電機中很明顯，但也可發(fā)生于其他類型的電機中。乍看之下，它沒有明顯影響，可以忽略不計：適當調諧的磁場定向控制（用于保持π/2 的負載角）將調節(jié)轉矩水平以遵循速度命令，并將增加電流控制器設定值。然而該控制在能源方面不能達到最優(yōu)，（對于給定的轉矩）電流高于必要水平，這導致額外的電機（焦耳）和逆變器（導通）損耗。如果控制器遵循最優(yōu)的最大轉矩電流比（MTPA）軌跡，則實際上可以根據負載條件調整目標負載角度，從而提高效率。在下面的第二張圖里可以看出，在輕負載時，該角度接近π/2，并隨著電機中電流的增加而逐漸變大。只需知道電機的Ld 和Lq 電感即可計算出MTPA 軌跡。
▲IPM 電機中磁阻和同步轉矩在總轉矩中的占比▲通過MTPA 軌跡進行效率優(yōu)化ST完整的開發(fā)生態(tài)系統來支招！
列舉了以上這些損耗原因和部分效率優(yōu)化概念，相信大家都想知道要如何具體地實現這些概念，別著急，有我們來給你支招！
意法半導體開發(fā)了全新系列微控制器STM32G4。除了DSP和FPU指令，STM32G4系列混合信號MCU集成了新型數學運算單元和大量模擬外設，成為適合電機控制的MCU。
許多其他STM32 系列（CPU 頻率范圍48 - 480MHz）也適用于電機控制，所有這些都有全面的硬件和軟件生態(tài)系統支持。
在軟件方面，STM32 電機控制軟件開發(fā)工具包提供一站式服務，包括固件庫、用于測量電氣參數的電機Profiler、以及用于代碼生成和實時控制可以微調的電機控制工作平臺。
此外，它還包含：
- 永磁同步電機（PMSM）固件庫（FOC 控制），內置MTPA 和空間矢量調制
- STM32 電機控制工作臺（用于配置FOC 固件庫參數），帶圖形用戶界面（GUI）
STM32 電機控制工作臺進一步減少了STM32 PMSM FOC 固件配置所需的設計工作量和時間，并直接與STM32 CubeMX 交互以生成代碼。
▲STM32 電機控制工作站無論你考慮使用哪種電機，意法半導體都會幫助您發(fā)揮其最大效用。我們正在開發(fā)新的庫/算法，并提供從碳化硅MOSFET 到混合信號STM32 微控制器的各種創(chuàng)新組件。
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