一、電機控制 - AC 感應電機 （ACIM） 概述

　　AC 感應電機 （ACIM） 是消費電子類應用和工業(yè)應用中最受歡迎的電機，代表了工業(yè)革命的力量。十九世紀末，Nicola Tesla 首次構(gòu)想出“無火花”電機的概念，即由兩個靜態(tài)相位以正交關(guān)系構(gòu)成的多相結(jié)構(gòu)。自此以來，又改為更為常用的 3 相結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電機電壓和電流的平衡操作。

　　該電機沒有刷式直流電機那樣的刷子/換向器結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生火花相關(guān)的問題，如電噪聲、刷子磨損、摩擦高和可靠性差等。轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)中磁性的消失進一步增強了可靠性，也降低了制造成本。在高功率應用中（如 500 HP 和更高應用），AC 感應電機是現(xiàn)有最高效的電機，可以達到 97% 或更高的效率額定值。但在輕載條件下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通所需的正交磁流占定子電流的很大部分，導致效率降低、功率因數(shù)操作較差。

　　ACIM 使用正弦電壓和電流驅(qū)動時表現(xiàn)最佳。ACIM 的優(yōu)點之一是能通過低扭矩紋波實現(xiàn)難以置信的順暢操作。為了實現(xiàn)此目的，多數(shù) ACIM 包含開槽定子結(jié)構(gòu)，其中繞線按正弦繞線分布置于槽中，從而在氣隙中呈現(xiàn)正弦磁通分布。此磁通也連接轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組的兩端短接銅棒或鋁棒，并安裝在軟鐵或其它鐵基材料組成的堆棧式層壓結(jié)構(gòu)上。在大多數(shù)情況下，降低轉(zhuǎn)子棒的電阻可以提高電機效率。隨著這些導體中的磁通減少，轉(zhuǎn)子棒中將施加 d-flux/dt 電壓，從而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電流。換言之，電流從定子電路感應到轉(zhuǎn)子電路，與從標準變壓器的初級線圈感應二次電流差不多。此轉(zhuǎn)子電流會產(chǎn)生自己的磁通，并與定子 mmF 交互產(chǎn)生扭矩。但是，為了在轉(zhuǎn)子棒上實現(xiàn) d-flux/dt 效應，轉(zhuǎn)子不能以定子磁場相同的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。因此，感應電機歸類為異步電機。定子磁通矢量與轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)速差異稱為轉(zhuǎn)差。隨著電機軸所需扭矩增加，轉(zhuǎn)差率也會增加?？傊?，電機速度是定子極數(shù)、電機扭矩（最終為電機轉(zhuǎn)差）和 AC 輸入電壓頻率的函數(shù)關(guān)系。

　　3 相拓撲是變速應用的理想選擇。3 相轉(zhuǎn)換器的常用方法如圖所示，只需改變所應用波形的電壓和頻率（開環(huán) V/Hz 或標量控制），即可控制電機速度。在扭矩環(huán)路周圍回繞速度環(huán)路來采用場定向控制 （FOC），也可控制速度。前者可以通過經(jīng)濟的器件（如 MSP430）輕松實現(xiàn)，但 FOC 更適合強大的 32 位處理器（如 TI C2000 處理器）。

　　AC 感應電機也有單相版本。多數(shù)單相版本實際上具有雙相，其中一個相位用于幫助啟動電機。一旦電機達到一定速度，該相位斷開，這樣電機就只在一個相位上運行。

　　AC 感應電機 （ACIM） 系統(tǒng)的方框圖 （SBD），它具有微處理器、閘極驅(qū)動器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。

AC 感應電機

　　設(shè)計注意事項

　　AC 感應電機概述

　　AC 感應電機 （ACIM） 是消費電子類應用和工業(yè)應用中最受歡迎的電機。此電機高度可靠，設(shè)計簡單，其沒有刷子，因此不存在磨損，并且制造成本極低。另一重要特性是轉(zhuǎn)子不會產(chǎn)生任何移動接觸，因此不會產(chǎn)生火花。但是，ACIM 與其它電機類型相比，效率較低。

　　ACIM 速度取決于 AC 輸入電壓的頻率和定子繞線中的極數(shù)。AC 感應電機提供單相和三相版本；三相是變速應用的理想選擇。

　　微處理器

　　TI 的 Stellaris? C2000? 以及 Hercules? 微處理器 （MCU） 系列非常適合于控制 AC 感應電機。所有這些 MCU 系列均可用于實施標量或矢量控制技術(shù)。

　　C2000 MCU 適用于實時操作并具有高分辨率脈寬調(diào)制器 （PWM），可對閘極驅(qū)動器進行精確控制。雙采樣保持、12 位、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 可對任何傳感器輸入進行高精度采樣。

　　高性能 PWM 和 ADC 相結(jié)合可確保低扭矩紋波和高效電機控制。功能強大的 C2000 MCU 內(nèi)核架構(gòu)可快速執(zhí)行數(shù)學算法，并通過矢量控制控制電機。

　　Stellaris MCU 基于廣泛使用的 ARM Cortex M3 內(nèi)核并具有所有與電機控制相關(guān)的集成板載外設(shè)。Stellaris MCU 具有 10 位 ADC 和電機控制特定的 PWM，可為電機提供高效控制。板載通信外設(shè)（例如 USB 和以太網(wǎng)）啟用 MCU 用作聯(lián)網(wǎng)控制器，也可執(zhí)行電機控制。

　　Hercules 安全 MCU 是基于廣泛使用的 ARM Cortex R4 內(nèi)核，設(shè)計為簡化開發(fā)和認證的安全關(guān)鍵型系統(tǒng)。Hercules MCU 具有多達 2 個 12 位 ADC。靈活的 HET 協(xié)處理器具有特定于電機控制的 PWM，可為電機提供高效控制。板載通信外設(shè)（例如，啟用 MCU 用作可同時執(zhí)行安全電機控制的安全聯(lián)網(wǎng)控制器的 USB、以太網(wǎng)和 CAN）。

　　隔離

　　TI 數(shù)字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器，這些緩沖器由 TI 的二氧化硅 （SiO2） 隔離勢壘進行隔離，可提供 4kV 隔離。當與隔離電源配合使用時，這些器件可阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進入本地接地并干擾或損害敏感電路。

　　接口/連接

　　傳統(tǒng)模擬 RS-232/RS-485 接口一直是電機控制應用的常見選擇。展望未來，設(shè)計人員將在其產(chǎn)品中集成主流接口，如以太網(wǎng)、USB 和 CAN。

　　TI 致力于同時為傳統(tǒng)和新興工業(yè)接口提供解決方案。例如，TI 最近推出了全世界首款隔離式 CAN 收發(fā)器 ISO1050。

　　電源管理

　　德州儀器 （TI） 提供從標準 IC 到高性能插件、變壓器、數(shù)字電源 MOSFET 和集成電源模塊的電源管理 IC 解決方案。

　　從 AC/DC 和 DC/DC 電源、線性穩(wěn)壓器和非隔離式開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器到 PMIC 和電源及顯示解決方案，德州儀器 （TI） 的電源管理 IC 解決方案都能幫助您完成項目開發(fā)。
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