在線急求優(yōu)化電機(jī)效率的方法？ST幫你找到答案！【文末有彩蛋】
[導(dǎo)讀]??點(diǎn)擊上方?“?意法半導(dǎo)體PDSA”，關(guān)注我們????????工業(yè)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)人類走向更文明和進(jìn)步的世界，當(dāng)今世界將生態(tài)文明建設(shè)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(lǐng)域是一個(gè)核心課題，其中電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大。電機(jī)耗電量約占工業(yè)用電75%左右，提升工業(yè)電機(jī)的能效對(duì)...
??點(diǎn)擊上方?“?意法半導(dǎo)體PDSA”，關(guān)注我們????????
工業(yè)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)人類走向更文明和進(jìn)步的世界，當(dāng)今世界將生態(tài)文明建設(shè)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(lǐng)域是一個(gè)核心課題，其中電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大。電機(jī)耗電量約占工業(yè)用電75%左右，提升工業(yè)電機(jī)的能效對(duì)節(jié)能減排的意義重大。中國(guó)頒布的電機(jī)能效新標(biāo)《GB18613-2020電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》實(shí)施后，高效電機(jī)必定成為行業(yè)技術(shù)和市場(chǎng)主流和焦點(diǎn)。
但是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用離不開(kāi)損耗二字，而電機(jī)損耗，效率不高的問(wèn)題也一直困擾著眾多開(kāi)發(fā)者。為此，我們精心準(zhǔn)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(jī)效率的新姿勢(shì)！
文末有彩蛋，走過(guò)路過(guò)別錯(cuò)過(guò)喲！
整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損耗
在了解逆變器的設(shè)計(jì)細(xì)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(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各種損耗原因。讓我們來(lái)看看下圖從電氣輸入到機(jī)械輸出過(guò)程中的損耗。
▲電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的損耗
主要損耗源是定子側(cè)的功率損耗，也稱為銅或I2R 損耗。該損耗與負(fù)載直接相關(guān)，并隨溫度（還有銅電阻）的升高而增加。轉(zhuǎn)子側(cè)也存在焦耳損耗（僅ACIM），這里的電流循環(huán)在轉(zhuǎn)子鼠籠的鋁或銅條中。轉(zhuǎn)子磁體的存在消除了這種損耗源（轉(zhuǎn)子中沒(méi)有電流循環(huán)），并減少了定子側(cè)的總電流，因?yàn)檗D(zhuǎn)子中沒(méi)有生成感應(yīng)磁場(chǎng)。在PMSM 中，轉(zhuǎn)矩是由定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通相互作用而產(chǎn)生的；而在ACIM 中，轉(zhuǎn)矩是由定子磁通和定子側(cè)在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)生成的磁通相互作用（利用變壓器效應(yīng)，轉(zhuǎn)子為次級(jí)側(cè)）而產(chǎn)生的。這種根本性的差異解釋了兩種類型電機(jī)之間的效率差距。
雜散負(fù)載損耗與I2R 損耗有關(guān)，因?yàn)榇嬖?strong>趨膚效應(yīng)（交流電傾向于集中在導(dǎo)體外表的薄層）和鄰近效應(yīng)：來(lái)自鄰近導(dǎo)體的場(chǎng)影響給定導(dǎo)線的電流密度，導(dǎo)致電阻增加。
這兩種效應(yīng)只有在高頻率（幾百赫茲及以上）下才會(huì)變得明顯，通?？梢圆捎美木€（定子繞組中的單根導(dǎo)線被導(dǎo)體束取代）來(lái)緩解。
鐵（或鐵芯）損耗排在銅損耗之后：產(chǎn)生于磁性材料中，大多發(fā)生在定子側(cè)。它們由渦電流和磁滯損耗引起，所以不隨負(fù)載的變化而變化，具體取決于材料、幾何形狀和電壓。當(dāng)受到交變磁通的影響時(shí)，渦電流在電機(jī)的鋼質(zhì)外殼中流動(dòng)。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(chǎng)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(zhuǎn)子側(cè)也存在鐵損耗，主要發(fā)生在軸鋼、磁體和鐵質(zhì)材料中（ACIM 和SR 電機(jī)），但這種損耗比較小，還沒(méi)有加以考慮，因?yàn)槿サ艮D(zhuǎn)子的熱量比較困難。
如何減少鐵損耗是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)殍F損耗在很大程度上與電機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)。然而，我們必須說(shuō)明，這些高效率的變速電機(jī)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(lái)重建正弦電流。這將產(chǎn)生紋波電流并與預(yù)期的理想正弦電流疊加，導(dǎo)致更高階的電流諧波注入電機(jī)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一次分量（通?？蛇_(dá)幾百赫茲）。這些高頻電流分量不可忽視，可能會(huì)增加鐵損耗，特別是在某些大功率電機(jī)的轉(zhuǎn)子中。
因此，可以通過(guò)額外的線路電感或增加PWM 開(kāi)關(guān)頻率（這在微控制器側(cè)很容易做到，盡管這樣可能將損耗從電機(jī)轉(zhuǎn)移到逆變器，我們稍后會(huì)講述這一點(diǎn)）來(lái)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(fēng)阻損耗，機(jī)械損耗還會(huì)在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生熱量。這些氣動(dòng)損耗是由轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣摩擦引起的；高速電機(jī)（轉(zhuǎn)速超過(guò)20kRPM）中的氣動(dòng)損耗可占電機(jī)總損耗的25%。
交流逆變器的損耗
聊完了整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗的原因，我們?cè)賮?lái)細(xì)看下交流逆變器的主要損耗。
▲數(shù)字交流逆變器的簡(jiǎn)化視圖
上圖是一種數(shù)字交流逆變器的簡(jiǎn)化視圖，該逆變器以一個(gè)微控制器（大腦）向由6 個(gè)電源開(kāi)關(guān)（肌肉）組成的功率級(jí)發(fā)布指令，從而控制電機(jī)。在該例（不使用市電）中，在逆變器的輸入端，一個(gè)二極管整流器和一個(gè)大容量電容器（基于IGBT 電源開(kāi)關(guān)）將單相固定頻率交流線路轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭妷褐绷髂妇€。如果是電池供電的應(yīng)用，沒(méi)有整流器，開(kāi)關(guān)通常是功率MOSFET。
逆變器損耗主要來(lái)自于由MCU 產(chǎn)生的PWM 信號(hào)控制的6 個(gè)電源開(kāi)關(guān)，這些開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率通常在幾kHz 到幾十kHz 之間。每個(gè)晶體管只是作為一個(gè)起開(kāi)/關(guān)作用的開(kāi)關(guān)（在飽和區(qū)域或阻塞或?qū)ǎ?，所以電機(jī)相電壓只能有3 個(gè)值：當(dāng)?shù)蛡?cè)開(kāi)關(guān)接通時(shí)接地；當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)接通時(shí)連接到母線電壓；或者在兩個(gè)開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)時(shí)懸空（在這種情況下，電壓是由續(xù)流二極管中流動(dòng)的電流方向施加的）。損耗是由電源開(kāi)關(guān)的非理想特性導(dǎo)致的，分為兩部分：導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。
開(kāi)關(guān)接通時(shí)，即使在飽和模式下，也存在殘余電壓：使用IGBT時(shí)會(huì)存在VCE(sat)；使用MOSFET時(shí)會(huì)存在VDS(on)。該電壓乘以電流就得到功率晶體管中的導(dǎo)通損耗。且開(kāi)關(guān)的接通和斷開(kāi)需要時(shí)間，在此期間會(huì)出現(xiàn)高電壓和大電流，這就是開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。而且，柵極驅(qū)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗。晶體管有容柵，每次換向時(shí)都必須進(jìn)行充放電。這種開(kāi)關(guān)損耗不可忽視，而且與開(kāi)關(guān)頻率成正比。
電機(jī)的焦耳損耗
電機(jī)的焦耳損耗占總損耗的大部分。焦耳損耗與流入電機(jī)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(jī)不要超磁通飽和量。因此，我們接下來(lái)將考慮通過(guò)電機(jī)控制方法使它們以最高效率運(yùn)行，不論軸上的負(fù)載如何變化。如果排除磁阻型電機(jī)，則電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)及其相位關(guān)系成正比。
負(fù)載角為90°時(shí)的轉(zhuǎn)矩最大，公式如下：
轉(zhuǎn)矩 ≈ Bstator ? Brotor ? sin（角度）
在他勵(lì)直流電機(jī)中，我們可以獨(dú)立控制定子內(nèi)產(chǎn)生主磁場(chǎng)的電流和轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)調(diào)節(jié)電樞磁場(chǎng)的電流，而集電極和電刷的機(jī)械排列可確保兩者之間完美的90°角位置。這就使這些電機(jī)適合伺服驅(qū)動(dòng)型應(yīng)用，這些應(yīng)用要求非常好的動(dòng)態(tài)性能，即能夠處理陡峭的負(fù)載變化并遵循激進(jìn)的速度配置文件。無(wú)刷電機(jī)很難做到這一點(diǎn)，因?yàn)槲覀冎荒芸刂贫ㄗ与娏?，沒(méi)有電刷用于控制負(fù)載角度。
現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟的磁場(chǎng)定向控制技術(shù)為無(wú)刷電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩指令提供了獨(dú)立和解耦控制方法。它初次被引入是為了提高交流感應(yīng)電機(jī)的控制，并提供非常靈敏的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。它也可以用于控制其他類型的電機(jī)（如永磁同步電機(jī)），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(zhuǎn)矩，從而獲得最佳效率。實(shí)際上，永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)限制會(huì)使事情稍微復(fù)雜一些。當(dāng)磁體不是安裝在轉(zhuǎn)子表面，而是在轉(zhuǎn)子內(nèi)部（內(nèi)部永磁體，IPM）時(shí)，其位置會(huì)產(chǎn)生一些影響。
這就需要介紹電機(jī)的各向異性，即定子的電感不是恒定的，而是根據(jù)轉(zhuǎn)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(gè)分量Ld 和Lq（d 表示直軸，q 表示交軸）；而對(duì)于各向同性電機(jī)，定子的電感值是恒定的。Ld 與Lq 的差產(chǎn)生了作為電磁轉(zhuǎn)矩一部分的磁阻轉(zhuǎn)矩（無(wú)磁體式磁阻電機(jī)只使用磁阻轉(zhuǎn)矩來(lái)產(chǎn)生機(jī)械功率）。
然而，對(duì)于基于永磁體的電機(jī)，該效果適得其反。觀察下圖，可以看到同步轉(zhuǎn)矩在負(fù)載角為π/2時(shí)達(dá)到峰值，而磁阻轉(zhuǎn)矩在負(fù)載角為3π/4 時(shí)最大；在繪制總轉(zhuǎn)矩圖形時(shí)，這種現(xiàn)象明顯改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩vs 角度特性。此外，該特性現(xiàn)在也取決于定子電流：峰值轉(zhuǎn)矩隨著電機(jī)電流而變化，當(dāng)電機(jī)電流分別達(dá)到標(biāo)稱電流（IN）的80%和100%時(shí)，我們可以在曲線上看到這樣的變化。
這種磁阻效應(yīng)在IPM 電機(jī)中很明顯，但也可發(fā)生于其他類型的電機(jī)中。乍看之下，它沒(méi)有明顯影響，可以忽略不計(jì)：適當(dāng)調(diào)諧的磁場(chǎng)定向控制（用于保持π/2 的負(fù)載角）將調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩水平以遵循速度命令，并將增加電流控制器設(shè)定值。然而該控制在能源方面不能達(dá)到最優(yōu)，（對(duì)于給定的轉(zhuǎn)矩）電流高于必要水平，這導(dǎo)致額外的電機(jī)（焦耳）和逆變器（導(dǎo)通）損耗。如果控制器遵循最優(yōu)的最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）軌跡，則實(shí)際上可以根據(jù)負(fù)載條件調(diào)整目標(biāo)負(fù)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(fù)載時(shí)，該角度接近π/2，并隨著電機(jī)中電流的增加而逐漸變大。只需知道電機(jī)的Ld 和Lq 電感即可計(jì)算出MTPA 軌跡。
▲IPM 電機(jī)中磁阻和同步轉(zhuǎn)矩在總轉(zhuǎn)矩中的占比
▲通過(guò)MTPA 軌跡進(jìn)行效率優(yōu)化
ST完整的開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)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(shí)現(xiàn)這些概念，別著急，有我們來(lái)給你支招！
意法半導(dǎo)體開(kāi)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(hào)MCU集成了新型數(shù)學(xué)運(yùn)算單元和大量模擬外設(shè)，成為適合電機(jī)控制的MCU。
許多其他STM32 系列（CPU 頻率范圍48 - 480MHz）也適用于電機(jī)控制，所有這些都有全面的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)支持。
在軟件方面，STM32 電機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)工具包提供一站式服務(wù)，包括固件庫(kù)、用于測(cè)量電氣參數(shù)的電機(jī)Profiler、以及用于代碼生成和實(shí)時(shí)控制可以微調(diào)的電機(jī)控制工作平臺(tái)。
此外，它還包含：
STM32 電機(jī)控制工作臺(tái)進(jìn)一步減少了STM32 PMSM FOC 固件配置所需的設(shè)計(jì)工作量和時(shí)間，并直接與STM32 CubeMX 交互以生成代碼。
▲STM32 電機(jī)控制工作站
無(wú)論你考慮使用哪種電機(jī)，意法半導(dǎo)體都會(huì)幫助您發(fā)揮其最大效用。我們正在開(kāi)發(fā)新的庫(kù)/算法，并提供從碳化硅MOSFET 到混合信號(hào)STM32 微控制器的各種創(chuàng)新組件。
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▲?長(zhǎng)按關(guān)注意法半導(dǎo)體中國(guó)
STM_IPGChina" data-signature="意法半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)功率
工業(yè)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)人類走向更文明和進(jìn)步的世界，當(dāng)今世界將生態(tài)文明建設(shè)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(lǐng)域是一個(gè)核心課題，其中電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大。電機(jī)耗電量約占工業(yè)用電75%左右，提升工業(yè)電機(jī)的能效對(duì)節(jié)能減排的意義重大。中國(guó)頒布的電機(jī)能效新標(biāo)《GB18613-2020電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》實(shí)施后，高效電機(jī)必定成為行業(yè)技術(shù)和市場(chǎng)主流和焦點(diǎn)。
但是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用離不開(kāi)損耗二字，而電機(jī)損耗，效率不高的問(wèn)題也一直困擾著眾多開(kāi)發(fā)者。為此，我們精心準(zhǔn)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(jī)效率的新姿勢(shì)！
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整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損耗
在了解逆變器的設(shè)計(jì)細(xì)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(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各種損耗原因。讓我們來(lái)看看下圖從電氣輸入到機(jī)械輸出過(guò)程中的損耗。
▲電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的損耗主要損耗源是定子側(cè)的功率損耗，也稱為銅或I2R 損耗。該損耗與負(fù)載直接相關(guān)，并隨溫度（還有銅電阻）的升高而增加。轉(zhuǎn)子側(cè)也存在焦耳損耗（僅ACIM），這里的電流循環(huán)在轉(zhuǎn)子鼠籠的鋁或銅條中。轉(zhuǎn)子磁體的存在消除了這種損耗源（轉(zhuǎn)子中沒(méi)有電流循環(huán)），并減少了定子側(cè)的總電流，因?yàn)檗D(zhuǎn)子中沒(méi)有生成感應(yīng)磁場(chǎng)。在PMSM 中，轉(zhuǎn)矩是由定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通相互作用而產(chǎn)生的；而在ACIM 中，轉(zhuǎn)矩是由定子磁通和定子側(cè)在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)生成的磁通相互作用（利用變壓器效應(yīng)，轉(zhuǎn)子為次級(jí)側(cè)）而產(chǎn)生的。這種根本性的差異解釋了兩種類型電機(jī)之間的效率差距。
雜散負(fù)載損耗與I2R 損耗有關(guān)，因?yàn)榇嬖?strong>趨膚效應(yīng)（交流電傾向于集中在導(dǎo)體外表的薄層）和鄰近效應(yīng)：來(lái)自鄰近導(dǎo)體的場(chǎng)影響給定導(dǎo)線的電流密度，導(dǎo)致電阻增加。
這兩種效應(yīng)只有在高頻率（幾百赫茲及以上）下才會(huì)變得明顯，通?？梢圆捎美木€（定子繞組中的單根導(dǎo)線被導(dǎo)體束取代）來(lái)緩解。
鐵（或鐵芯）損耗排在銅損耗之后：產(chǎn)生于磁性材料中，大多發(fā)生在定子側(cè)。它們由渦電流和磁滯損耗引起，所以不隨負(fù)載的變化而變化，具體取決于材料、幾何形狀和電壓。當(dāng)受到交變磁通的影響時(shí)，渦電流在電機(jī)的鋼質(zhì)外殼中流動(dòng)。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(chǎng)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(zhuǎn)子側(cè)也存在鐵損耗，主要發(fā)生在軸鋼、磁體和鐵質(zhì)材料中（ACIM 和SR 電機(jī)），但這種損耗比較小，還沒(méi)有加以考慮，因?yàn)槿サ艮D(zhuǎn)子的熱量比較困難。
如何減少鐵損耗是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)殍F損耗在很大程度上與電機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)。然而，我們必須說(shuō)明，這些高效率的變速電機(jī)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(lái)重建正弦電流。這將產(chǎn)生紋波電流并與預(yù)期的理想正弦電流疊加，導(dǎo)致更高階的電流諧波注入電機(jī)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一次分量（通?？蛇_(dá)幾百赫茲）。這些高頻電流分量不可忽視，可能會(huì)增加鐵損耗，特別是在某些大功率電機(jī)的轉(zhuǎn)子中。
因此，可以通過(guò)額外的線路電感或增加PWM 開(kāi)關(guān)頻率（這在微控制器側(cè)很容易做到，盡管這樣可能將損耗從電機(jī)轉(zhuǎn)移到逆變器，我們稍后會(huì)講述這一點(diǎn)）來(lái)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(fēng)阻損耗，機(jī)械損耗還會(huì)在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生熱量。這些氣動(dòng)損耗是由轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣摩擦引起的；高速電機(jī)（轉(zhuǎn)速超過(guò)20kRPM）中的氣動(dòng)損耗可占電機(jī)總損耗的25%。
交流逆變器的損耗
聊完了整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗的原因，我們?cè)賮?lái)細(xì)看下交流逆變器的主要損耗。
▲數(shù)字交流逆變器的簡(jiǎn)化視圖上圖是一種數(shù)字交流逆變器的簡(jiǎn)化視圖，該逆變器以一個(gè)微控制器（大腦）向由6 個(gè)電源開(kāi)關(guān)（肌肉）組成的功率級(jí)發(fā)布指令，從而控制電機(jī)。在該例（不使用市電）中，在逆變器的輸入端，一個(gè)二極管整流器和一個(gè)大容量電容器（基于IGBT 電源開(kāi)關(guān)）將單相固定頻率交流線路轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭妷褐绷髂妇€。如果是電池供電的應(yīng)用，沒(méi)有整流器，開(kāi)關(guān)通常是功率MOSFET。
逆變器損耗主要來(lái)自于由MCU 產(chǎn)生的PWM 信號(hào)控制的6 個(gè)電源開(kāi)關(guān)，這些開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率通常在幾kHz 到幾十kHz 之間。每個(gè)晶體管只是作為一個(gè)起開(kāi)/關(guān)作用的開(kāi)關(guān)（在飽和區(qū)域或阻塞或?qū)ǎ?，所以電機(jī)相電壓只能有3 個(gè)值：當(dāng)?shù)蛡?cè)開(kāi)關(guān)接通時(shí)接地；當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)接通時(shí)連接到母線電壓；或者在兩個(gè)開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)時(shí)懸空（在這種情況下，電壓是由續(xù)流二極管中流動(dòng)的電流方向施加的）。損耗是由電源開(kāi)關(guān)的非理想特性導(dǎo)致的，分為兩部分：導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。
開(kāi)關(guān)接通時(shí)，即使在飽和模式下，也存在殘余電壓：使用IGBT時(shí)會(huì)存在VCE(sat)；使用MOSFET時(shí)會(huì)存在VDS(on)。該電壓乘以電流就得到功率晶體管中的導(dǎo)通損耗。且開(kāi)關(guān)的接通和斷開(kāi)需要時(shí)間，在此期間會(huì)出現(xiàn)高電壓和大電流，這就是開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。而且，柵極驅(qū)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗。晶體管有容柵，每次換向時(shí)都必須進(jìn)行充放電。這種開(kāi)關(guān)損耗不可忽視，而且與開(kāi)關(guān)頻率成正比。
電機(jī)的焦耳損耗
電機(jī)的焦耳損耗占總損耗的大部分。焦耳損耗與流入電機(jī)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(jī)不要超磁通飽和量。因此，我們接下來(lái)將考慮通過(guò)電機(jī)控制方法使它們以最高效率運(yùn)行，不論軸上的負(fù)載如何變化。如果排除磁阻型電機(jī)，則電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)及其相位關(guān)系成正比。
負(fù)載角為90°時(shí)的轉(zhuǎn)矩最大，公式如下：
轉(zhuǎn)矩 ≈ Bstator ? Brotor ? sin（角度）
在他勵(lì)直流電機(jī)中，我們可以獨(dú)立控制定子內(nèi)產(chǎn)生主磁場(chǎng)的電流和轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)調(diào)節(jié)電樞磁場(chǎng)的電流，而集電極和電刷的機(jī)械排列可確保兩者之間完美的90°角位置。這就使這些電機(jī)適合伺服驅(qū)動(dòng)型應(yīng)用，這些應(yīng)用要求非常好的動(dòng)態(tài)性能，即能夠處理陡峭的負(fù)載變化并遵循激進(jìn)的速度配置文件。無(wú)刷電機(jī)很難做到這一點(diǎn)，因?yàn)槲覀冎荒芸刂贫ㄗ与娏?，沒(méi)有電刷用于控制負(fù)載角度。
現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟的磁場(chǎng)定向控制技術(shù)為無(wú)刷電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩指令提供了獨(dú)立和解耦控制方法。它初次被引入是為了提高交流感應(yīng)電機(jī)的控制，并提供非常靈敏的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。它也可以用于控制其他類型的電機(jī)（如永磁同步電機(jī)），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(zhuǎn)矩，從而獲得最佳效率。實(shí)際上，永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)限制會(huì)使事情稍微復(fù)雜一些。當(dāng)磁體不是安裝在轉(zhuǎn)子表面，而是在轉(zhuǎn)子內(nèi)部（內(nèi)部永磁體，IPM）時(shí)，其位置會(huì)產(chǎn)生一些影響。
這就需要介紹電機(jī)的各向異性，即定子的電感不是恒定的，而是根據(jù)轉(zhuǎn)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(gè)分量Ld 和Lq（d 表示直軸，q 表示交軸）；而對(duì)于各向同性電機(jī)，定子的電感值是恒定的。Ld 與Lq 的差產(chǎn)生了作為電磁轉(zhuǎn)矩一部分的磁阻轉(zhuǎn)矩（無(wú)磁體式磁阻電機(jī)只使用磁阻轉(zhuǎn)矩來(lái)產(chǎn)生機(jī)械功率）。
然而，對(duì)于基于永磁體的電機(jī)，該效果適得其反。觀察下圖，可以看到同步轉(zhuǎn)矩在負(fù)載角為π/2時(shí)達(dá)到峰值，而磁阻轉(zhuǎn)矩在負(fù)載角為3π/4 時(shí)最大；在繪制總轉(zhuǎn)矩圖形時(shí)，這種現(xiàn)象明顯改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩vs 角度特性。此外，該特性現(xiàn)在也取決于定子電流：峰值轉(zhuǎn)矩隨著電機(jī)電流而變化，當(dāng)電機(jī)電流分別達(dá)到標(biāo)稱電流（IN）的80%和100%時(shí)，我們可以在曲線上看到這樣的變化。
這種磁阻效應(yīng)在IPM 電機(jī)中很明顯，但也可發(fā)生于其他類型的電機(jī)中。乍看之下，它沒(méi)有明顯影響，可以忽略不計(jì)：適當(dāng)調(diào)諧的磁場(chǎng)定向控制（用于保持π/2 的負(fù)載角）將調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩水平以遵循速度命令，并將增加電流控制器設(shè)定值。然而該控制在能源方面不能達(dá)到最優(yōu)，（對(duì)于給定的轉(zhuǎn)矩）電流高于必要水平，這導(dǎo)致額外的電機(jī)（焦耳）和逆變器（導(dǎo)通）損耗。如果控制器遵循最優(yōu)的最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）軌跡，則實(shí)際上可以根據(jù)負(fù)載條件調(diào)整目標(biāo)負(fù)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(fù)載時(shí)，該角度接近π/2，并隨著電機(jī)中電流的增加而逐漸變大。只需知道電機(jī)的Ld 和Lq 電感即可計(jì)算出MTPA 軌跡。
▲IPM 電機(jī)中磁阻和同步轉(zhuǎn)矩在總轉(zhuǎn)矩中的占比▲通過(guò)MTPA 軌跡進(jìn)行效率優(yōu)化ST完整的開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)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(shí)現(xiàn)這些概念，別著急，有我們來(lái)給你支招！
意法半導(dǎo)體開(kāi)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(hào)MCU集成了新型數(shù)學(xué)運(yùn)算單元和大量模擬外設(shè)，成為適合電機(jī)控制的MCU。
許多其他STM32 系列（CPU 頻率范圍48 - 480MHz）也適用于電機(jī)控制，所有這些都有全面的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)支持。
在軟件方面，STM32 電機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)工具包提供一站式服務(wù)，包括固件庫(kù)、用于測(cè)量電氣參數(shù)的電機(jī)Profiler、以及用于代碼生成和實(shí)時(shí)控制可以微調(diào)的電機(jī)控制工作平臺(tái)。
此外，它還包含：
- 永磁同步電機(jī)（PMSM）固件庫(kù)（FOC 控制），內(nèi)置MTPA 和空間矢量調(diào)制
- STM32 電機(jī)控制工作臺(tái)（用于配置FOC 固件庫(kù)參數(shù)），帶圖形用戶界面（GUI）
STM32 電機(jī)控制工作臺(tái)進(jìn)一步減少了STM32 PMSM FOC 固件配置所需的設(shè)計(jì)工作量和時(shí)間，并直接與STM32 CubeMX 交互以生成代碼。
▲STM32 電機(jī)控制工作站無(wú)論你考慮使用哪種電機(jī)，意法半導(dǎo)體都會(huì)幫助您發(fā)揮其最大效用。我們正在開(kāi)發(fā)新的庫(kù)/算法，并提供從碳化硅MOSFET 到混合信號(hào)STM32 微控制器的各種創(chuàng)新組件。
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