优化电机控制以提高能效

在当今世界，电机无处不在，从家用电器到工业机械都依赖其提供动力。鉴于电机消耗了全球能源的很大一部分，优化电机控制以实现节能的重要性再怎么强调也不为过。本文深入探讨了电机的结构、变频驱动器（VFD）的应用，以及电机控制解决方案，包括硬件支持和先进算法。

电机的广泛应用

电机已深度融入现代生活：从洗衣机、烘干机、洗碗机到泳池水泵等家用电器，到配备40至100个电机（视车型配置而定）的现代汽车，再到机器人及工厂自动化设备密布的工业环境，电机已成为不可或缺的动力核心。

能效与能耗

根据美国能源信息署数据，全球约50%的能源消耗来自电机系统，而在工业领域，这一比例更高达80%。以2022年美国为例：全年能耗达4.07万亿千瓦时，日均112亿千瓦时——电机效率每提升1%，每日即可节约5600万千瓦时电力。

电机能效发展趋势

I. 高效电机

电机能效的主要发展趋势之一是从传统电机（如交流感应电机）向更高效的类型过渡，包括无刷直流电机（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）和内置式永磁电机（IPM）。这些电机具有更高效率和更优性能。此外，材料技术的进步（如非晶金属和稀土磁体的应用）进一步提升了电机效率。

• 电机结构与材料进展

在电机技术领域，过去一个世纪以来材料和设计的进步显著提升了电机的效率和性能。了解电机的主要组件及其改进，可以深入把握这些技术进步。

电机通常由端盖、转子、轴承及带绕组的定子组成。多年来，这些部件的材料不断演进。例如，转子和定子线圈从铝材转为铜材，提升了导电性和效率。此外，制造精度的进步降低了噪音并进一步提高了效率。

电机技术中一个显著趋势是非晶材料在转子和定子中的应用。传统上采用硅钢片，但其存在较大的涡流和磁滞损耗。如今正被金属玻璃等非晶材料取代，这些材料损耗更低，因而能效更高。

永磁电机领域也取得了重大进展。钕、铁、硼等稀土材料制成的更强磁体可提供更大扭矩和更高效率。然而出于可持续性考虑，业界正在探索铝、镍、铬及铁氧体基磁体等替代材料，这些材料在宽温域和强磁场环境下表现出优良特性。

从滑动轴承到滚动轴承的转型，对降低摩擦、提高精度从而提升电机效率起到了关键作用。过去一个世纪以来，电机在保持相同功率输出的前提下实现了显著小型化。以现代5马力鼠笼式转子三相感应电机（SCIM）为例，其体积大幅缩小，重量仅为1910年同功率电机的20%左右。这种尺寸缩减得益于更轻量化高效材料的应用，以及热绝缘和电绝缘技术的进步。更轻巧的电机对汽车应用尤为有利——既可通过减重提升能效，又能将电机集成到更紧凑的空间。这些技术进步的影响深远，造就了能效更高、性能更优且更节能的电机系统。

电机材料与设计的持续改进，已推动能效和性能取得重大突破。从非晶材料与高性能磁体的应用，到轴承技术的演进及电机体积的缩减，这些创新正引领着电机技术的未来发展。随着对新材料和新设计的不断探索，电机系统在能效与性能方面仍有巨大提升空间。

II. 变频驱动器（VFD）的应用

变频驱动器（VFD）在电机调速和能效提升方面的应用日益广泛。通过使电机转速与负载需求相匹配，VFD可有效降低能耗。此外，VFD中从绝缘栅双极型晶体管（IGBT）到碳化硅（SiC）技术的升级，也带来了更高能效和更快开关速度。

• 变频驱动器（VFD）及其技术影响

变频驱动器（VFD）通过实现对电机转速和转矩的精准控制，彻底革新了电机控制技术。这项技术不仅能优化电机性能，更能显著提升系统能效。其工作原理是通过调节供给电机的频率和电压，使电机始终工作在特定负载下的最佳效率点。

传统电机系统通常以全功率运行，依赖节流阀调节流量，导致大量能量损耗。相比之下，变频驱动器通过调节电机转速来匹配所需流量，既消除了节流损耗，又降低了能耗，从而全面提升系统效率。研究数据表明，采用变频驱动器可使电机系统效率从约31%提升至72%，实现能效倍增。

Microchip解决方案

Microchip为电机控制应用提供全方位的解决方案，涵盖硬件支持与先进算法。其产品组合包括单片机、栅极驱动器、功率电子器件及传感器，均致力于实现电机性能的最优化。

硬件支持

Microchip为电机控制系统提供全面的硬件支持，在优化性能和效率的同时加速设计和开发。对于变频驱动器（VFD），它提供采用高效碳化硅（SiC）MOSFET的AC-DC转换器和逆变器，以及用于精确开关控制的先进栅极驱动器。这些由dsPIC®数字信号控制器（DSC）驱动的逆变器将直流电转换为可变频率交流电，以实现高效的电机运行。集成传感器可实时监测电流、电压和温度参数，从而提高系统可靠性。此外，Microchip还提供评估和开发板、参考设计、软件库和开发工具，以支持复杂电机控制算法的设计和实现。

III. 高级控制算法

算法是优化电机控制系统的关键。传统方法（如用于交流感应电机的V/F控制）具有成本效益且简单易用，但可能无法提供最高效率。更先进的算法（如用于BLDC和PMSM电机的六步换向）可提供更好的转矩控制，可采用有传感器或无传感器方案。最有效的算法是磁场定向控制（FOC），它具有高效率、低噪声以及出色的转矩和转速性能。根据电机类型和应用需求，FOC可采用有传感器或无传感器方式实现。

Microchip的电机控制解决方案集成了先进算法，包括磁场定向控制（FOC）、最大转矩电流比（MTPA）和弱磁控制，以实现效率和性能最大化。这些算法通过MPLAB® motorBench®开发套件等工具获得支持，该套件可简化控制算法的实施与调谐。此外，Microchip还提供用于预测性维护的机器学习功能，确保电机始终以最佳效率运行，并降低意外故障风险。零速/最大转矩（ZS/MT）控制算法是无需传感器的FOC算法的新形式，使得无传感器控制技术可应用于高转矩或低速电机控制场景。通过采用基于高频注入（HFI）的可靠初始位置检测（IPD）方法，ZS/MT技术能在零速和低速下精确测定转子位置，从而省去霍尔效应传感器的需求。这一特性使其成为钻孔机、车库门开启器、汽车启动器和电动自行车等应用的理想选择。

IV. 物联网与人工智能/机器学习的融合应用

物联网（IoT）与人工智能（AI）技术的融合为电机控制带来了革命性变革。传感器在电机控制系统中起着至关重要的作用，它们负责检测电流、转矩和转子位置等关键参数。这些传感器将数据传送至能够处理信息的单片机。通过集成机器学习算法，这些系统可执行预测性维护——通过分析传感器数据来预判潜在电机故障或维护需求。该功能在工业场景中尤为重要，因为意外电机故障可能导致严重停机和财务损失。预测性维护能确保电机始终以最佳效率和性能运行，从而显著降低意外故障的发生概率。

• 预测性维护

预测性维护利用传感器和机器学习算法监测电机健康状况，在潜在问题导致故障前及时识别。通过持续分析电流、扭矩和振动等参数，预测性维护可确保电机高效运行，最大限度减少停机时间。这一方法在工业场景中尤为关键，因为电机突发故障可能导致重大生产损失。

Microchip的演示应用展示了如何通过MPLAB®机器学习开发套件结合dsPIC® LVMC电机控制板实现电机预测性维护。该系统采用分类模型监测电机的Iq电流，从而判断其运行状态——无论是正常运转，还是存在负载不平衡或轴承破损等异常情况。

结论

优化电机控制以实现能效提升，对于降低全球能耗、提升各类应用性能至关重要。通过采用高效电机、配备变频驱动器（VFD）、实施先进控制算法，并结合物联网与人工智能技术，可实现显著的节能效益。Microchip为此提供全面的解决方案，涵盖硬件、软件及专业技术支持，助力开发高效电机控制系统。随着市场对节能解决方案的需求持续增长，电机控制技术的进步将在满足这些需求中发挥关键作用。