電機在未來仍將廣泛使用。從小型家電到工業制造，再到重型機械，電機功能豐富，幾乎無所不在。電機約占全球電力消耗的一半，而且這一比例還在不斷增長。如今，全球減排力度不斷加大，提升電機能效顯得愈發關鍵。為此就需要開發先進的控制算法，采用新型高效電機結構，并引入現代半導體技術。本文為工業電機驅動白皮書的第一部分，主要介紹系統用途、市場趨勢、系統描述等。

系統用途

工業電機驅動器是當今全球工業的支柱，其能耗約占所有工業應用能耗的近三分之二。

相關法規越來越嚴格，市場對大幅降低工業電機驅動器能耗的需求變得愈加迫切。交流電機通常可直接由交流電源驅動。然而，為了提高能效和加強控制，通常需要采用變頻驅動。

相較于傳統的節流控制， 采用變頻驅動 (VFD) 的工業驅動系統能效更高。安森美 (onsemi)提供各種各樣的 VFD 產品，包括 MOSFET、 IGBT、 二極管、 功率集成模塊 (PIM) 和智能功率模塊 (IPM)。

子系統中使用的其他器件和技術包括：柵極驅動器、運算放大器、 位置傳感器、 溫度傳感器， 以及其他用于控制和感知的器件。

借助現代半導體和新型電機架構，電機驅動器的能效和壽命可得到提升。

工業驅動器應用于眾多工業領域，包括過程自動化、 風扇控制、 液體和氣體泵、 機器人、 物料搬運、 機床、 石油和天然氣工業等。

市場趨勢

二氧化碳減排潛能

電機用途廣泛， 從小家電到重型設備都有應用。多個信息來源表明，全球大約一半的電力被電機驅動器消耗。工業應用消耗的電力占到世界總發電量的近三分之一。工業領域自動化程度加速提高，工業電機系統的數量預計仍將持續增加。如今，可持續發展和能效逐漸成為熱門話題。因此，更新現有方案和新部署的系統以盡可能提高能效至關重要。

預計 2024 年至 2029 年， 工業電機驅動器市場將以 5% 至 5.5% 的平均復合增長率 (CAGR) 增長，市場規模將從 255 億美元擴大到 327 億美元。發展中經濟體的快速工業化是推動此增長的一大關鍵動力。目前， 市場對優化流程和提升能效的需求日益迫切。與燃氣渦輪機等其他方案相比，電力驅動器往往能效更高，維護需求更少。

《2020 年電機系統市場評估》 (MSMA) 報告顯示，美國的電機驅動系統蘊藏著巨大的節能減排潛力，每年可節省超過50 億美元成本，并減少 4300 多萬噸的二氧化碳排放。控制器和電機是需要改進的重點。

變頻驅動有助于改善電機控制器， 顯著提高電機在變化負載下的能效。以往， 許多系統的額定功率過大。這種做法雖然延長了系統的使用壽命，但同時也降低了系統的整體能效。通過實現負載匹配和變頻驅動，系統的能效可以提升 10% 以上。

前述的 2020 年 MSMA 報告指出，采用更高能效的電機，例如永磁同步電機， 可以讓美國每年節省 45,000 GWh 的電力。寬禁帶 (WBG) 半導體雖然初始投資更高，但可進一步提高系統的能效。此類半導體的其他優勢包括工作溫度更高、工作電壓更高和開關頻率更高，有助于減小無源器件的尺寸并降低成本。

變頻驅動

現代三相電機大多由功率開關驅動， 廣泛應用于機器人、工業和其他要求苛刻的領域。這些系統通常使用脈沖寬度調制 (PWM) 信號來確定導通和關斷狀態之間的轉換。這種方式被稱為變頻驅動 (VFD)，能效比傳統的節流控制更高，更能在負載變化的情況下有效地節約能源。

圖 1：變頻驅動對電力消耗的影響

系統描述

電機類型

以前廣泛使用的直流電機采用機械電刷在定子和轉子之間換向，這種設計導致噪聲高、 維護需求大、 能效低且散熱性能差。相比之下，無刷電機采用電子換向， 因此能效更高、 更安靜， 幾乎不需要維護，使用壽命更長。然而， 無刷電機的控制更加復雜。交流電機主要有三種類型：交流感應電機 (ACIM)、 永磁同步電機 (PMSM) 和無刷直流 (BLDC) 電機。

交流感應電機由定子和轉子兩部分組成， 定子具有多個繞組，而轉子由多個導電條構成。根據法拉第定律， 當交流電流通過定子繞組時，會產生旋轉電磁場。旋轉電磁場在轉子繞組中產生感應電流。轉子中的感應電流會產生一個阻礙定子磁場變化的磁場。這種阻礙作用產生的力使轉子沿定子磁場的方向旋轉。以同步速度旋轉不會在轉子中產生感應電流，因此感應電機的運轉速度總是略慢于同步速度。轉子的同步速度和運轉速度之間的差異稱為“轉差” 或“轉差角” ，典型的轉差值在 2% 到 6% 之間。這就是 ACIM 異步運轉的原理。改變輸入電流的頻率可以控制交流感應電機的轉速， 例如采用變頻驅動 (VFD)。

永磁同步電機 (PMSM) 和無刷直流 (BLDC) 電機所采用的定子與 ACIM 相同， 但轉子中包含永磁體。這種設計不需要感應電流，因此能效更高 在這類電機中，轉子速度等于定子電磁場的速度，也就是同步運行。PMSM 和 BLDC 的區別在于控制方式和反電動勢 (BEMF) 響應。BLDC 的 BEMF 響應是梯形的， 而 PMSM 的響應是正弦的。

ACIM 和 PMSM/BLDC 非常適合連續運行且需要精確的速度和扭矩控制的場景， 通常用于傳送帶、物料搬運系統、 泵和壓縮機等重型應用。因包含永磁體， 這些電機的成本較高。

表 1：交流感應電機與永磁同步/無刷直流電機對比

步進電機和伺服系統用于精確定位和受控運動場景，廣泛用于驅動機械臂、 裝配線、 升降輔助設備和其他需要保持和定位的類似應用。此類系統的特點是高準確性和良好的可重復性。

步進電機的轉子通常包含永磁體和多個小齒，而齒數決定了步數。定子也有小齒， 但數量少于轉子。就分布方式而言，有些與轉子上的小齒對齊，有些則反之。定子線圈分為兩組獨立線圈。通電后， 線圈產生的磁場使齒部對齊， 從而使轉子精確地轉動一步。通過反復給兩組線圈通電， 無需任何反饋即可實現非常精確的運動， 這種方式稱為開環控制。

步進電機驅動器可以是單極的，也可以是雙極的。雙極步進電機的電流在兩個方向上流動， 并且需要全橋逆變器來驅動兩組繞組中的每一組。相比之下， 單極步進電機只需要電流單向流動，控制更加簡單。此類電機可通過簡單的高側或低側開關進行控制， 成本效益更佳。

伺服電機在閉環控制系統內運行。系統采用編碼器的反饋來比較電機的實際位置與所需值。閉環可保障準確控制位置。伺服電機系統主要由三部分組成：電機、 反饋裝置和控制電路。電機產生機械動力，可以是有刷直流電機、BLDC 電機、 PMSM 電機或 ACIM 電機。反饋裝置提供有關電機位置、 扭矩和速度的信息。控制電路負責比較所需位置與實際位置，并調整輸出以糾正存在的任何差異。

表 2：步進電機與伺服電機系統對比

電機控制技術

梯形控制算法又稱六步控制法，是較簡單的控制算法，通過讓電流同時流過兩相， 第三相懸空， 使得電機有六種離散狀態。此方法可產生高扭矩， 但與其他更先進的算法相比， 噪聲和振動較大。

在正弦控制中，施加于電機繞組的電流波形是正弦波形，這種方法可降低扭矩紋波。但需要精確同步和識別轉子位置，因此實現起來更加復雜。

與正弦控制相比， 磁場定向控制 (FOC) 在高速下可提供更高能效， 在動態負載下的性能也比上述技術更優異。在整個換向過程中， FOC 讓定子和轉子保持九十度對齊來優化電機扭矩， 從而降低扭矩紋波， 讓旋轉過程更平穩、 更靜音。

轉子位置

檢測轉子位置常需使用霍爾效應傳感器。當轉子經過霍爾效應傳感器時， 它會向控制器提供有關磁極位置的信息。霍爾效應傳感器通常以 120 度

間隔分布。

在無傳感器應用中，可通過測量反電動勢 (BEMF)確定轉子位置和開關信號。圖 5 對比了霍爾傳感器與反電動勢的情況。其他方法包括利用光學或電感傳感器來獲取有關轉子位置的準確信息。

圖 5：霍爾傳感器輸出與反電動勢測量結果對比

未完待續，下期將主要介紹方案概述，幫助您全面了解工業電機驅動設計要點。