電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這些電機(jī)大致分為兩大類(lèi)：DC（直流）和AC（交流）。反過(guò)來(lái)，每個(gè)類(lèi)別又包含許多子類(lèi)型，每個(gè)子類(lèi)型都提供獨(dú)特的功能，并且每個(gè)子類(lèi)型都針對(duì)特定的應(yīng)用范圍。
    如今，電動(dòng)機(jī)無(wú)處不在，出現(xiàn)在看似無(wú)限的各種應(yīng)用中，包括住宅（冰箱、風(fēng)扇、洗衣機(jī)、泵……）、商業(yè)（供暖、冷卻、通風(fēng)……）和工業(yè)（執(zhí)行器、機(jī)器人系統(tǒng)……）。
    例如，考慮一下科學(xué)電視頻道的“How It's Made”節(jié)目。典型的安裝展示了由多個(gè)執(zhí)行器、操縱器和機(jī)器人系統(tǒng)處理的產(chǎn)品。當(dāng)產(chǎn)品通過(guò)工廠(chǎng)時(shí)，它可能會(huì)被數(shù)百臺(tái)電機(jī)“觸及”。
    然而，很少有人意識(shí)到到底有多少電機(jī)及其對(duì)環(huán)境的影響。事實(shí)上，全世界每天生產(chǎn)超過(guò) 2000 萬(wàn)臺(tái)電機(jī)，相當(dāng)于每年超過(guò) 70 億臺(tái)新電機(jī)。
    此外，估計(jì)，電機(jī)消耗的能源占美國(guó)總能源產(chǎn)量的 50% 以上。例如，2005年，美國(guó)消耗了超過(guò)4萬(wàn)億千瓦時(shí)的電力，其中電動(dòng)機(jī)消耗的電力達(dá)到驚人的2萬(wàn)億千瓦時(shí)。
    電動(dòng)機(jī)的功率輸出以馬力 (HP) 為單位，其中 1 HP 約等于 750 瓦。電動(dòng)機(jī)可大致分為小型（小于 HP）、中型（1 至 99 HP）和大型（100 HP 及以上）。有些電動(dòng)機(jī)可能非常大；有些電動(dòng)機(jī)可能非常大。例如，美國(guó)宇航局 (NASA) 和波音公司在其風(fēng)洞中使用 60,000 馬力的電動(dòng)機(jī)。
    較大的電機(jī)往往效率，因?yàn)樗鼈冊(cè)趶念^開(kāi)始構(gòu)建時(shí)就考慮到了效率。電機(jī)的理論效率約為 95%，較大的電機(jī)通?？蛇_(dá)到 93% 至 94% 的效率。
    不幸的是，每臺(tái)大型電動(dòng)機(jī)都配有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的小型電動(dòng)機(jī)，其中絕大多數(shù)效率極低。例如，小型交流電機(jī)的效率可能低至 50%。這是什么意思？好吧，如果電機(jī)的效率只有 50%，那么它消耗的功率中只有一半轉(zhuǎn)化為有用功；另一半作為熱量被燒掉，這意味著每個(gè)電機(jī)實(shí)際上就像一個(gè)小型（或不那么小的）散熱器。
    在像工廠(chǎng)這樣的工業(yè)環(huán)境中，這會(huì)增加大量的能源，這實(shí)際上會(huì)受到“雙重打擊”。這是因?yàn)楝F(xiàn)在有必要提供冷卻系統(tǒng)來(lái)消除不需要的熱量，而這些冷卻系統(tǒng)使用……你猜對(duì)了……但效率較低的電動(dòng)機(jī)。
    用戶(hù)越來(lái)越意識(shí)到能源成本的上升以及技術(shù)對(duì)環(huán)境的影響。此外，環(huán)境監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)提高效率的壓力越來(lái)越大，越來(lái)越多的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品需要滿(mǎn)足能源之星、京都峰會(huì)和美國(guó)能源部等監(jiān)管舉措規(guī)定的嚴(yán)格環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)能源第 430 部分。
    一種解決方案是添加智能負(fù)載匹配和變速控制，這可以將效率提高 14% 至 30%。廣泛實(shí)施后，電子電機(jī)控制可節(jié)省美國(guó)總用電量的 15%。這相當(dāng)于每年減少能源消耗高達(dá) 3000 億千瓦時(shí)，從而節(jié)省 150 億美元，每年減少溫室氣體超過(guò) 1.8 億噸。當(dāng)在范圍內(nèi)進(jìn)行推斷時(shí)，潛在的節(jié)省是驚人的。
    誰(shuí)是控制者？
    就本文而言，我們將重點(diǎn)關(guān)注交流電動(dòng)機(jī)，它占工業(yè)應(yīng)用功耗的 70%（它們還占商業(yè)應(yīng)用功耗的 45% 和住宅應(yīng)用功耗的 42%）。

    交流電動(dòng)機(jī)由定子（靜止磁場(chǎng)）和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)或電樞）組成。轉(zhuǎn)速和扭矩是由磁通量和電流的相互作用產(chǎn)生的。用于控制交流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是傳感器和相關(guān)接口、數(shù)字控制系統(tǒng)和功率級(jí)。對(duì)于大部分應(yīng)用程序，還需要提供某種形式的用戶(hù)界面（如下圖 1）。

    圖 1. 電機(jī)控制系統(tǒng)的主要元件。
    對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)子位置和/或轉(zhuǎn)速計(jì)輸入。這些可以由內(nèi)置于電機(jī)中的霍爾效應(yīng)傳感器或外部安裝的光學(xué)位置編碼器、同步旋轉(zhuǎn)變壓器或磁感應(yīng)傳感器提供。這些傳感器類(lèi)型中的每一種都可以采用各種電氣拓?fù)?，因此可能需要?dú)特的模擬或數(shù)字傳感器接口來(lái)以適合數(shù)字控制邏輯/系統(tǒng)的方式接收和格式化信息。
    如果是反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)、同步旋轉(zhuǎn)變壓器定位傳感器、電阻位置傳感器等，則需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。在某些應(yīng)用中，可能還需要執(zhí)行某種形式的信號(hào)調(diào)節(jié)（例如濾波）。
    電機(jī)的速度、扭矩和方向是通過(guò)電機(jī)繞組上的電子切換（調(diào)制）電壓來(lái)管理的。在脈寬調(diào)制 (PWM) 控制系統(tǒng)中，向繞組施加電壓的順序決定了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。
    基于繞組的電感，每個(gè)“脈沖”峰值電流的頻率和持續(xù)時(shí)間（占空比）以及因此在每個(gè)繞組中實(shí)現(xiàn)的峰值磁通量（扭矩）得以實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的繞組電感部分由電機(jī)繞組中使用的匝數(shù)設(shè)定，可過(guò)濾并平滑數(shù)字 PWM 脈沖，將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)量。
    通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的排序、頻率和占空比，PWM 系統(tǒng)可以控制電機(jī)的方向、速度和平均扭矩。數(shù)字控制邏輯的 PWM 輸出通過(guò)功率級(jí)與電機(jī)連接。MOSFET 是電子電機(jī)控制中常用的功率級(jí)開(kāi)關(guān)元件。
    電機(jī)控制系統(tǒng)中的用戶(hù)界面組件允許用戶(hù)發(fā)出用于初始化、配置和控制控制邏輯組件的命令。它可以像正向或反向開(kāi)關(guān)和速度調(diào)節(jié)電路一樣簡(jiǎn)單，也可以像提供與電機(jī)控制相關(guān)的電壓、電流和溫度監(jiān)控功能一樣復(fù)雜。
    交流電機(jī)有許多不同類(lèi)型，每種電機(jī)都需要針對(duì)特定??電機(jī)量身定制的控制技術(shù)、傳感器、功率級(jí)和算法。擁有一個(gè)能夠支持廣泛的電機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)類(lèi)型的多功能、高度可配置和高度集成的控制器是理想的，并且可以提高成本、性能和功率效率。
    術(shù)語(yǔ)“轉(zhuǎn)差”用于表示轉(zhuǎn)子中電流位置與轉(zhuǎn)子實(shí)際物理位置之間的角位置差異。本質(zhì)上，滑差等于扭矩；電流必須超前物理質(zhì)量一定量才能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)?；瑒?dòng)并不是一種純粹的祝福，因?yàn)槿绻瑒?dòng)太大，能量就會(huì)被浪費(fèi)。幸運(yùn)的是，通過(guò)電子電機(jī)控制可以限度地減少打滑和浪費(fèi)的功率，同時(shí)在各種負(fù)載條件下限度地提高扭矩。
    影響交流電機(jī)效率的另一個(gè)重要因素是負(fù)載不匹配。交流電機(jī)在滿(mǎn)額定負(fù)載或接近滿(mǎn)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)效率，但這種情況很少見(jiàn)。一個(gè)考慮因素是“過(guò)度工程”，其中設(shè)計(jì)工程師會(huì)說(shuō)：“我實(shí)際上只需要一個(gè) 1 HP 電機(jī)，但為了安全起見(jiàn)，我會(huì)使用 2 HP 電機(jī)?！?因此，電機(jī)尺寸比其驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需尺寸大兩到三倍的情況并不罕見(jiàn)，這是一種昂貴的運(yùn)行模式。
    而且，即使電機(jī)尺寸正確以滿(mǎn)足負(fù)載，但實(shí)際上它通常會(huì)在較低、效率較低的負(fù)載下運(yùn)行。例如，在自動(dòng)扶梯的電機(jī)尺寸能夠承載人數(shù)的情況下，大多數(shù)時(shí)候自動(dòng)扶梯上的人相對(duì)較少，導(dǎo)致其運(yùn)行效率較低，從而浪費(fèi)電力。
    通過(guò)電子電機(jī)控制系統(tǒng)，可以智能、連續(xù)地檢測(cè)負(fù)載，并與適當(dāng)?shù)妮斎牍β势ヅ?。即使?fù)載的微小變化也可以被檢測(cè)到，并地施加功率來(lái)匹配它，而不影響電機(jī)的速度。實(shí)際上，電子控制不斷調(diào)整交流感應(yīng)電機(jī)的工作大小，使其始終在理想的負(fù)載條件下運(yùn)行。這限度地提高了電機(jī)在整個(gè)工作負(fù)載范圍內(nèi)的效率，并限度地降低了功耗和運(yùn)營(yíng)成本。
    另一個(gè)考慮因素是并非所有應(yīng)用都要求電機(jī)以恒定速度運(yùn)行。在某些情況下，可能需要不斷改變電機(jī)的速度以使其適應(yīng)當(dāng)前條件。這對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)交流電機(jī)來(lái)說(shuō)是不可能做到的，但可以使用電子控制系統(tǒng)來(lái)連續(xù)監(jiān)控電機(jī)的速度并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以滿(mǎn)足當(dāng)前的要求。
    DSP、MCU 還是 FPGA？
    關(guān)于數(shù)字控制邏輯/系統(tǒng)有許多潛在的解決方案。一種替代方案是使用專(zhuān)用 DSP，但它們可能很昂貴，而且通常還需要添加模擬組件、控制元件和子系統(tǒng)。
    另一種常見(jiàn)的替代方案是使用微控制器 (MCU)，其中許多微控制器至少包含一些所需的模擬功能，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。微控制器的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)便宜（工業(yè)電機(jī)控制器應(yīng)用的價(jià)格約為 1 至 2 美元），但它們的時(shí)鐘頻率通常在 10 至 50 MHz 范圍內(nèi)，這限制了它們控制脈寬調(diào)制的速度。
    另一個(gè)考慮因素是每個(gè)微控制器都具有足夠的模擬功能和帶寬來(lái)僅控制單個(gè)電機(jī)；例如，可能沒(méi)有足夠的帶寬來(lái)支持用于診斷目的的通信。因此，如果您的機(jī)器人應(yīng)用程序包含多個(gè)電機(jī)，則您將需要多個(gè)微控制器，也許還需要一兩個(gè)微控制器來(lái)處理用戶(hù)界面和通信，從而增加更多成本。
    相比之下，5 美元的混合信號(hào) FPGA（下圖 2）包含足夠的模擬和數(shù)字處理功能，可以同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)。除了此類(lèi)設(shè)備的時(shí)鐘頻率約為 250 至 300 MHz 之外，F(xiàn)PGA 結(jié)構(gòu)的數(shù)字部分還可用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法的大規(guī)模并行處理。

    此外，在混合信號(hào) FPGA的情況下，數(shù)字結(jié)構(gòu)的一部分可用于實(shí)現(xiàn)軟微處理器內(nèi)核，例如 FPGA 優(yōu)化的 ARM Cortex-M1。除了處理用戶(hù)界面和通信之外，該內(nèi)核還可用于“即時(shí)”監(jiān)控和微調(diào)模擬組件。

    圖 2：混合信號(hào) FPGA 包含足夠的模擬和數(shù)字處理功能，可同時(shí)控制 10 個(gè)或更多電機(jī)。
    通過(guò)使用帶有集成軟處理器的混合信號(hào) FPGA，可以使用無(wú)傳感器正弦電流控制來(lái)構(gòu)建電機(jī)，從而消除昂貴的傳感器并進(jìn)一步降低電子控制的價(jià)格。
    除了監(jiān)控總線(xiàn)電壓、電機(jī)電流和速度之外，混合信號(hào) FPGA 中的 Cortex-M1 處理器的組合還可以執(zhí)行診斷并處理任何用戶(hù)界面要求。運(yùn)行診斷并對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行智能響應(yīng)的能力可以顯著減少損壞并延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，從而進(jìn)一步降低擁有成本。
    但并非不重要的一點(diǎn)是，我們應(yīng)該注意到，將交流電機(jī)轉(zhuǎn)換為包含電子控制系統(tǒng)并不一定需要昂貴地更換當(dāng)前使用的所有電機(jī)。美國(guó)能源部估計(jì)，僅工業(yè)部門(mén)就使用了 1240 萬(wàn)臺(tái)大于 1 馬力的電機(jī)。電機(jī)更換是一項(xiàng)持續(xù)的活動(dòng)，美國(guó)每年發(fā)生多達(dá) 600,000 起電機(jī)故障和更換。
    這意味著，在未來(lái) 20 年里，大多數(shù)大于 1 馬力的電機(jī)將需要更換。用高效電子控制電機(jī)替換這些裝置將減少高達(dá) 18% 的持續(xù)工業(yè)電力需求，從而為制造業(yè)顯著節(jié)省能源成本，并大幅減少與運(yùn)行這些電機(jī)相關(guān)的環(huán)境影響。