Microchip Technology Inc. dsPIC

產品部

營銷經理Pramit Nandy

在當今世界，電機無處不在，從家用電器到工業機械都依賴其提供動力。鑒于電機消耗了全球能源的很大一部分，優化電機控制以實現節能的重要性再怎么強調也不為過。本文深入探討了電機的結構、變頻驅動器（VFD）的應用，以及電機控制解決方案，包括硬件支持和先進算法。

電機的廣泛應用

電機已深度融入現代生活：從洗衣機、烘干機、洗碗機到泳池水泵等家用電器，到配備40至100個電機（視車型配置而定）的現代汽車，再到機器人及工廠自動化設備密布的工業環境，電機已成為不可或缺的動力核心。

能效與能耗

根據美國能源信息署數據，全球約50%的能源消耗來自電機系統，而在工業領域，這一比例更高達80%。以2022年美國為例：全年能耗達4.07萬億千瓦時，日均112億千瓦時——電機效率每提升1%，每日即可節約5600萬千瓦時電力。

電機能效發展趨勢

高效電機

電機能效的主要發展趨勢之一是從傳統電機（如交流感應電機）向更高效的類型過渡，包括無刷直流電機（BLDC）、永磁同步電機（PMSM）和內置式永磁電機（IPM）。這些電機具有更高效率和更優性能。此外，材料技術的進步（如非晶金屬和稀土磁體的應用）進一步提升了電機效率。

· 電機結構與材料進展

在電機技術領域，過去一個世紀以來材料和設計的進步顯著提升了電機的效率和性能。了解電機的主要組件及其改進，可以深入把握這些技術進步。

電機通常由端蓋、轉子、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。例如，轉子和定子線圈從鋁材轉為銅材，提升了導電性和效率。此外，制造精度的進步降低了噪音并進一步提高了效率。

電機技術中一個顯著趨勢是非晶材料在轉子和定子中的應用。傳統上采用硅鋼片，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。

永磁電機領域也取得了重大進展。釹、鐵、硼等稀土材料制成的更強磁體可提供更大扭矩和更高效率。然而出于可持續性考慮，業界正在探索鋁、鎳、鉻及鐵氧體基磁體等替代材料，這些材料在寬溫域和強磁場環境下表現出優良特性。

從滑動軸承到滾動軸承的轉型，對降低摩擦、提高精度從而提升電機效率起到了關鍵作用。過去一個世紀以來，電機在保持相同功率輸出的前提下實現了顯著小型化。以現代5馬力鼠籠式轉子三相感應電機（SCIM）為例，其體積大幅縮小，重量僅為1910年同功率電機的20%左右。這種尺寸縮減得益于更輕量化高效材料的應用，以及熱絕緣和電絕緣技術的進步。更輕巧的電機對汽車應用尤為有利——既可通過減重提升能效，又能將電機集成到更緊湊的空間。這些技術進步的影響深遠，造就了能效更高、性能更優且更節能的電機系統。

電機材料與設計的持續改進，已推動能效和性能取得重大突破。從非晶材料與高性能磁體的應用，到軸承技術的演進及電機體積的縮減，這些創新正引領著電機技術的未來發展。隨著對新材料和新設計的不斷探索，電機系統在能效與性能方面仍有巨大提升空間。

變頻驅動器（VFD）的應用

變頻驅動器（VFD）在電機調速和能效提升方面的應用日益廣泛。通過使電機轉速與負載需求相匹配，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）技術的升級，也帶來了更高能效和更快開關速度。

· 變頻驅動器（VFD）及其技術影響

變頻驅動器（VFD）通過實現對電機轉速和轉矩的精準控制，徹底革新了電機控制技術。這項技術不僅能優化電機性能，更能顯著提升系統能效。其工作原理是通過調節供給電機的頻率和電壓，使電機始終工作在特定負載下的最佳效率點。

傳統電機系統通常以全功率運行，依賴節流閥調節流量，導致大量能量損耗。相比之下，變頻驅動器通過調節電機轉速來匹配所需流量，既消除了節流損耗，又降低了能耗，從而全面提升系統效率。研究數據表明，采用變頻驅動器可使電機系統效率從約31%提升至72%，實現能效倍增。

Microchip解決方案

Microchip為電機控制應用提供全方位的解決方案，涵蓋硬件支持與先進算法。其產品組合包括單片機、柵極驅動器、功率電子器件及傳感器，均致力于實現電機性能的最優化。

硬件支持

Microchip為電機控制系統提供全面的硬件支持，在優化性能和效率的同時加速設計和開發。對于變頻驅動器（VFD），它提供采用高效碳化硅（SiC）MOSFET的AC-DC轉換器和逆變器，以及用于精確開關控制的先進柵極驅動器。這些由dsPIC®數字信號控制器（DSC）驅動的逆變器將直流電轉換為可變頻率交流電，以實現高效的電機運行。集成傳感器可實時監測電流、電壓和溫度參數，從而提高系統可靠性。此外，Microchip還提供評估和開發板、參考設計、軟件庫和開發工具，以支持復雜電機控制算法的設計和實現。

高級控制算法

算法是優化電機控制系統的關鍵。傳統方法（如用于交流感應電機的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。更先進的算法（如用于BLDC和PMSM電機的六步換向）可提供更好的轉矩控制，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矩和轉速性能。根據電機類型和應用需求，FOC可采用有傳感器或無傳感器方式實現。

Microchip的電機控制解決方案集成了先進算法，包括磁場定向控制（FOC）、最大轉矩電流比（MTPA）和弱磁控制，以實現效率和性能最大化。這些算法通過MPLAB® motorBench®開發套件等工具獲得支持，該套件可簡化控制算法的實施與調諧。此外，Microchip還提供用于預測性維護的機器學習功能，確保電機始終以最佳效率運行，并降低意外故障風險。零速/最大轉矩（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可應用于高轉矩或低速電機控制場景。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技術能在零速和低速下精確測定轉子位置，從而省去霍爾效應傳感器的需求。這一特性使其成為鉆孔機、車庫門開啟器、汽車啟動器和電動自行車等應用的理想選擇。

物聯網與人工智能/機器學習的融合應用

物聯網（IoT）與人工智能（AI）技術的融合為電機控制帶來了革命性變革。傳感器在電機控制系統中起著至關重要的作用，它們負責檢測電流、轉矩和轉子位置等關鍵參數。這些傳感器將數據傳送至能夠處理信息的單片機。通過集成機器學習算法，這些系統可執行預測性維護——通過分析傳感器數據來預判潛在電機故障或維護需求。該功能在工業場景中尤為重要，因為意外電機故障可能導致嚴重停機和財務損失。預測性維護能確保電機始終以最佳效率和性能運行，從而顯著降低意外故障的發生概率。

· 預測性維護

預測性維護利用傳感器和機器學習算法監測電機健康狀況，在潛在問題導致故障前及時識別。通過持續分析電流、扭矩和振動等參數，預測性維護可確保電機高效運行，最大限度減少停機時間。這一方法在工業場景中尤為關鍵，因為電機突發故障可能導致重大生產損失。

Microchip的演示應用展示了如何通過MPLAB®機器學習開發套件結合dsPIC® LVMC電機控制板實現電機預測性維護。該系統采用分類模型監測電機的Iq電流，從而判斷其運行狀態——無論是正常運轉，還是存在負載不平衡或軸承破損等異常情況。

結論

優化電機控制以實現能效提升，對于降低全球能耗、提升各類應用性能至關重要。通過采用高效電機、配備變頻驅動器（VFD）、實施先進控制算法，并結合物聯網與人工智能技術，可實現顯著的節能效益。Microchip為此提供全面的解決方案，涵蓋硬件、軟件及專業技術支持，助力開發高效電機控制系統。隨著市場對節能解決方案的需求持續增長，電機控制技術的進步將在滿足這些需求中發揮關鍵作用。