飞兆案例：功率器件提高电机设计的效率水平

作者：时间：2011-02-26来源：网络收藏

随着节能成为全球范围关注的焦点，电机设计的能效也成为一个引人关注的问题。由于各国政府相继出台各种法规来要求提高能效，为了应对能效挑战，电机驱动电路变得越来越复杂。本文将讨论电机驱动电路产品、行业趋势，以及有助于设计人员降低能耗，提高可靠性、减少部件数目及实现环保的解决方案。

工业领域的电机种类

近100年来，电器产品一直都主要使用感应电机，即使变频驱动也是采用感应电机。现在某些新型电器开始采用效率更高、尺寸更紧凑、重量更轻的电机。这些新型电机可明显分为两大类，即无刷直流电机和开关磁阻电机。

许多常见的家用电器都采用带变频驱动的无刷直流电机。这类高效的通用电机具有高转矩密度。随着能源价格飙升，业界重新燃起了对无刷直流电机的兴趣。而一直以来，阻碍这种电机获得广泛采用的主要原因是成本，以及驱动设计的整体复杂性。

开关磁阻电机则多见于吸尘器和手持电动工具这类不关注电机噪声和转矩波动的电器中。开关磁阻电机的特点是转矩大、转速高，且价位非常具有竞争力。

无刷直流电机和开关磁阻电机都要使用一个微控制器或DSP来实现波形整理；然后用功率开关 (功率 MOSFET或 IGBT) 放大这些整理后的波形。

驱动电路概述

设计变频驱动电路可有以许多不同的方式。在典型的三相电机中，最流行的低频驱动方案是梯形波驱动电路。

图1：梯形波控制方法及实际测试波形

如果需要更高的频率和性能，则可采用PWM方法来产生正弦波。要再进一步提高效率，便可采用空间矢量调制 (Space Vector Modulation) 法。

永磁三相同步电机有两个流行的型款：正弦永磁同步电机和梯形波无刷直流电机。正弦永磁同步电机与梯形波无刷直流电机 (电气性能) 非常相似。主要有以下两个方面的差别：

• 电机构造 — 反电动势 (BEMF) 的波形不同；一个是感应电压正弦永磁同步电机，一个是梯形波无刷直流电机。

• 控制 —控制电压的波形不同；一个采用三相正弦 (所有三个相位同时有电流流过），一个采用矩形六步换流 (始终有一相位（不）导通)。

在新型驱动装置中，正弦永磁同步电机越来越流行，开始在很多应用中取代有刷，无刷直流电机、通用（交流异步）电机和其它电机（如家用变频空调，工业缝纫机等）。其原因是它更可靠 (无刷)、效率更高、噪声更小，而且在电控制方面具有如更高的电压利用率及低频转矩。图2和图3所示为一种基于磁场定位（FOC field oriented control）的无位置传感矢量控制器系统框图及试验波形。