電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械運動。這些電機大致分為兩大類：DC（直流）和AC（交流）。反過來，每個類別又包含許多子類型，每個子類型都提供獨特的功能，并且每個子類型都針對特定的應(yīng)用范圍。
    如今，電動機無處不在，出現(xiàn)在看似無限的各種應(yīng)用中，包括住宅（冰箱、風(fēng)扇、洗衣機、泵……）、商業(yè)（供暖、冷卻、通風(fēng)……）和工業(yè)（執(zhí)行器、機器人系統(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執(zhí)行器、操縱器和機器人系統(tǒng)處理的產(chǎn)品。當(dāng)產(chǎn)品通過工廠時，它可能會被數(shù)百臺電機“觸及”。
    然而，很少有人意識到到底有多少電機及其對環(huán)境的影響。事實上，全世界每天生產(chǎn)超過 2000 萬臺電機，相當(dāng)于每年超過 70 億臺新電機。
    此外，估計，電機消耗的能源占美國總能源產(chǎn)量的 50% 以上。例如，2005年，美國消耗了超過4萬億千瓦時的電力，其中電動機消耗的電力達到驚人的2萬億千瓦時。
    電動機的功率輸出以馬力 (HP) 為單位，其中 1 HP 約等于 750 瓦。電動機可大致分為小型（小于 HP）、中型（1 至 99 HP）和大型（100 HP 及以上）。有些電動機可能非常大；有些電動機可能非常大。例如，美國宇航局 (NASA) 和波音公司在其風(fēng)洞中使用 60,000 馬力的電動機。
    較大的電機往往效率，因為它們在從頭開始構(gòu)建時就考慮到了效率。電機的理論效率約為 95%，較大的電機通?？蛇_到 93% 至 94% 的效率。
    不幸的是，每臺大型電動機都配有數(shù)以萬計的小型電動機，其中絕大多數(shù)效率極低。例如，小型交流電機的效率可能低至 50%。這是什么意思？好吧，如果電機的效率只有 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，這意味著每個電機實際上就像一個小型（或不那么小的）散熱器。
    在像工廠這樣的工業(yè)環(huán)境中，這會增加大量的能源，這實際上會受到“雙重打擊”。這是因為現(xiàn)在有必要提供冷卻系統(tǒng)來消除不需要的熱量，而這些冷卻系統(tǒng)使用……你猜對了……但效率較低的電動機。
    用戶越來越意識到能源成本的上升以及技術(shù)對環(huán)境的影響。此外，環(huán)境監(jiān)管機構(gòu)對提高效率的壓力越來越大，越來越多的電機驅(qū)動產(chǎn)品需要滿足能源之星、京都峰會和美國能源部等監(jiān)管舉措規(guī)定的嚴格環(huán)境標(biāo)準能源第 430 部分。
    一種解決方案是添加智能負載匹配和變速控制，這可以將效率提高 14% 至 30%。廣泛實施后，電子電機控制可節(jié)省美國總用電量的 15%。這相當(dāng)于每年減少能源消耗高達 3000 億千瓦時，從而節(jié)省 150 億美元，每年減少溫室氣體超過 1.8 億噸。當(dāng)在范圍內(nèi)進行推斷時，潛在的節(jié)省是驚人的。
    誰是控制者？
    就本文而言，我們將重點關(guān)注交流電動機，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%）。

    交流電動機由定子（靜止磁場）和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)磁場或電樞）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。用于控制交流電動機的系統(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。對于大部分應(yīng)用程序，還需要提供某種形式的用戶界面（如下圖 1）。

    圖 1. 電機控制系統(tǒng)的主要元件。
    對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)子位置和/或轉(zhuǎn)速計輸入。這些可以由內(nèi)置于電機中的霍爾效應(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。這些傳感器類型中的每一種都可以采用各種電氣拓撲，因此可能需要獨特的模擬或數(shù)字傳感器接口來以適合數(shù)字控制邏輯/系統(tǒng)的方式接收和格式化信息。
    如果是反電動勢檢測、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)行某種形式的信號調(diào)節(jié)（例如濾波）。
    電機的速度、扭矩和方向是通過電機繞組上的電子切換（調(diào)制）電壓來管理的。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的旋轉(zhuǎn)方向和速度。
    基于繞組的電感，每個“脈沖”峰值電流的頻率和持續(xù)時間（占空比）以及因此在每個繞組中實現(xiàn)的峰值磁通量（扭矩）得以實現(xiàn)。電機的繞組電感部分由電機繞組中使用的匝數(shù)設(shè)定，可過濾并平滑數(shù)字 PWM 脈沖，將其轉(zhuǎn)換為機械動量。
    通過控制驅(qū)動電子設(shè)備的排序、頻率和占空比，PWM 系統(tǒng)可以控制電機的方向、速度和平均扭矩。數(shù)字控制邏輯的 PWM 輸出通過功率級與電機連接。MOSFET 是電子電機控制中常用的功率級開關(guān)元件。
    電機控制系統(tǒng)中的用戶界面組件允許用戶發(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關(guān)和速度調(diào)節(jié)電路一樣簡單，也可以像提供與電機控制相關(guān)的電壓、電流和溫度監(jiān)控功能一樣復(fù)雜。
    交流電機有許多不同類型，每種電機都需要針對特定??電機量身定制的控制技術(shù)、傳感器、功率級和算法。擁有一個能夠支持廣泛的電機控制技術(shù)和電機類型的多功能、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“轉(zhuǎn)差”用于表示轉(zhuǎn)子中電流位置與轉(zhuǎn)子實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)?；瑒硬⒉皇且环N純粹的祝福，因為如果滑動太大，能量就會被浪費。幸運的是，通過電子電機控制可以限度地減少打滑和浪費的功率，同時在各種負載條件下限度地提高扭矩。
    影響交流電機效率的另一個重要因素是負載不匹配。交流電機在滿額定負載或接近滿額定負載運行時可實現(xiàn)效率，但這種情況很少見。一個考慮因素是“過度工程”，其中設(shè)計工程師會說：“我實際上只需要一個 1 HP 電機，但為了安全起見，我會使用 2 HP 電機?！?因此，電機尺寸比其驅(qū)動負載所需尺寸大兩到三倍的情況并不罕見，這是一種昂貴的運行模式。
    而且，即使電機尺寸正確以滿足負載，但實際上它通常會在較低、效率較低的負載下運行。例如，在自動扶梯的電機尺寸能夠承載人數(shù)的情況下，大多數(shù)時候自動扶梯上的人相對較少，導(dǎo)致其運行效率較低，從而浪費電力。
    通過電子電機控制系統(tǒng)，可以智能、連續(xù)地檢測負載，并與適當(dāng)?shù)妮斎牍β势ヅ?。即使負載的微小變化也可以被檢測到，并地施加功率來匹配它，而不影響電機的速度。實際上，電子控制不斷調(diào)整交流感應(yīng)電機的工作大小，使其始終在理想的負載條件下運行。這限度地提高了電機在整個工作負載范圍內(nèi)的效率，并限度地降低了功耗和運營成本。
    另一個考慮因素是并非所有應(yīng)用都要求電機以恒定速度運行。在某些情況下，可能需要不斷改變電機的速度以使其適應(yīng)當(dāng)前條件。這對于標(biāo)準交流電機來說是不可能做到的，但可以使用電子控制系統(tǒng)來連續(xù)監(jiān)控電機的速度并對其進行調(diào)整以滿足當(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)點是相對便宜（工業(yè)電機控制器應(yīng)用的價格約為 1 至 2 美元），但它們的時鐘頻率通常在 10 至 50 MHz 范圍內(nèi)，這限制了它們控制脈寬調(diào)制的速度。
    另一個考慮因素是每個微控制器都具有足夠的模擬功能和帶寬來僅控制單個電機；例如，可能沒有足夠的帶寬來支持用于診斷目的的通信。因此，如果您的機器人應(yīng)用程序包含多個電機，則您將需要多個微控制器，也許還需要一兩個微控制器來處理用戶界面和通信，從而增加更多成本。
    相比之下，5 美元的混合信號 FPGA（下圖 2）包含足夠的模擬和數(shù)字處理功能，可以同時控制兩個電機。除了此類設(shè)備的時鐘頻率約為 250 至 300 MHz 之外，F(xiàn)PGA 結(jié)構(gòu)的數(shù)字部分還可用于實現(xiàn)電機控制算法的大規(guī)模并行處理。

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

    圖 2：混合信號 FPGA 包含足夠的模擬和數(shù)字處理功能，可同時控制 10 個或更多電機。
    通過使用帶有集成軟處理器的混合信號 FPGA，可以使用無傳感器正弦電流控制來構(gòu)建電機，從而消除昂貴的傳感器并進一步降低電子控制的價格。
    除了監(jiān)控總線電壓、電機電流和速度之外，混合信號 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界面要求。運行診斷并對出現(xiàn)的問題進行智能響應(yīng)的能力可以顯著減少損壞并延長電機的使用壽命，從而進一步降低擁有成本。
    但并非不重要的一點是，我們應(yīng)該注意到，將交流電機轉(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。美國能源部估計，僅工業(yè)部門就使用了 1240 萬臺大于 1 馬力的電機。電機更換是一項持續(xù)的活動，美國每年發(fā)生多達 600,000 起電機故障和更換。
    這意味著，在未來 20 年里，大多數(shù)大于 1 馬力的電機將需要更換。用高效電子控制電機替換這些裝置將減少高達 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，并大幅減少與運行這些電機相關(guān)的環(huán)境影響。