使用算法提高电机效率
面对经济的不确定性和日益增长的环境问题，许多企业都在努力使他们的运营更加精简、高效和环保。检查你的电费账单是一个很好的开始。电力的最大消费者是暖通空调系统、水加热、照明、办公设备和机械。
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面对经济的不确定性和日益增长的环境问题，许多企业都在努力使他们的运营更加精简、高效和环保。检查你的电费账单是一个很好的开始。电力的最大消费者是暖通空调系统、水加热、照明、办公设备和机械。更具体地说，在典型的工业设施中，这些机器内的电机约占总电能消耗的三分之二。为了提高您企业中电机的效率和降低运行成本，请考虑以下因素。
高效电机
一台以50%效率运行的电机只能将一半的电能转化为有用的机械功。剩下的都是浪费。这使得在高效电机上的额外投资变得谨慎，因为电力成本占电机总生命周期成本的96%。根据美国能源部(DOE)的数据，如果电机每年运行4000小时以上，更换效率评级提高4-6%的电机可以在两年内收回成本。
不幸的是，简单地更换现有设备是一种奢侈。许多设施的主机电机非常大，更换成本很高。因此，用户总是在寻找从现有资产中榨取更多效率的方法。节省成本的关键在于驱动控制算法和商用现货(COTS)硬件的实现。本质上，当你不能更换电机，更换算法和控制器，以达到更好的效率。使用高计算能力的硅器件，如Xilinx的Virtex或Spartan fpga，以及可用的商用现货(COTS)硬件，如美国国家仪器公司的CompactRIO，可以快速原型化并实现精确的定制控制系统，以显著提高电机效率。
合适尺寸的电机
第二个基本组成部分是适当的电机尺寸。美国能源部估计，80%的电机都是超大的，这导致企业在浪费能源方面付出了高昂的代价。如图所示，当负载低于全额定负载的约40%时，效率急剧下降。在线上有许多尺寸工具可以帮助您完成这个过程，例如用于交流感应电机的MotorMaster+和用于直流伺服电机的VisualSizer。在调整尺寸时，一个好的经验法则是选择峰值和RMS扭矩额定值比应用要求高约25%的电机。类似于FPGA技术的进步，降低了设计的复杂性，新的虚拟原型工具即将到来，通过将运动控制编程软件(如NI LabView)与3D机械CAD环境相连接，用于模拟和快速设计原型，从而帮助提供更准确的扭矩和速度数据。
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运行在小于满载的电机会失去很多效率，这对于较小尺寸的电机尤其如此。
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合适的电机技术
为应用选择的电机类型对能源效率有很大的影响。感应电机，也称为异步交流电机，是最古老和最成熟的电机类型之一。由于其低成本和操作能力，无需复杂的控制，交流感应电机是大多数家庭用品的主力。它们通常在恒速应用中运行，但也可以增加更复杂的控制，用于需要变速和扭矩的应用。
对于低功率应用，廉价的步进电机和有刷直流电动机是受欢迎的，由于简单的控制电路所必需的。然而，它们提供的能源效率较低，因此运营成本较高。步进电机的效率特别低，因为它们即使在停止时也会产生功率，而且由于高速时扭矩输出差，它们必须显著过大。
无刷直流电动机和永磁同步交流电机(PMSM)通常都被称为无刷直流电动机(BLDC)，但它们的定子绕线方式有所不同。当旋转时，无刷直流电机的定子以这样一种方式缠绕，以产生梯形反电动势电压，而PMSM产生正弦形状的电压。与上面解释的交流感应电机相比，无刷直流电动机更昂贵，但在使用先进的算法控制时，提供更好的能源效率和性能，并且它们可以扩展到非常高功率和高速应用。
无刷直流电动机是同步电动机的一种。这是指定子产生的磁场和转子产生的磁场以相同的频率旋转。通常bldc配备三个相。大多数无刷直流电动机有三个定子绕组以星型方式连接。其内部结构就像一台感应电动机，转子上装有一对永磁体，而不是绕组。由于没有电刷，换向现在必须以电子方式提供。为了旋转无刷直流电动机，定子绕组按顺序通电。为了计算一次给哪个绕组通电，有必要知道转子的位置，通常是由嵌入电机定子的三个霍尔效应传感器测量的。基于这些传感器信号的三重组合，控制电子器件可以确定准确的换向顺序。由于无刷电机在转子中使用永磁体而不是被动绕组，因此与感应电机相比，它们本身的尺寸和重量提供了更高的功率。 The key to high efficiency operation, however, lies in the control system.
电机控制算法
近年来，微处理技术在电机控制中的应用有所增加。它们的目的是控制算法的执行，以提供更好的效率。例如，当使用无刷电机时，可以使用广泛的控制系统算法，包括梯形、正弦和面向场控制。
梯形控制:梯形控制也称为六步控制，是最简单但性能最低的方法。对于六个换向步骤中的每一个，电机驱动器在两个绕组之间提供一个电流路径，同时离开第三个电机相断开。该方法存在较大的性能局限性，主要表现为转矩脉动，引起振动、噪声、机械磨损，伺服性能大大降低。
正弦控制:也称为电压-过频换向，正弦控制解决了许多这些问题。一个正弦控制器用平滑变化的电流驱动三个电机绕组。这消除了扭矩脉动问题，并提供平稳的旋转。正弦换相的根本弱点在于，它试图使用基本的比例积分(PI)控制算法来控制时变电机电流，并且没有考虑相位之间的相互作用。因此，高速运行时性能会受到影响。
面向场控制(FOC):也称为矢量控制，FOC通过在更快的电机速度下提供高效率来改进正弦控制。与其他控制技术相比，它提供了最高的每瓦功率输入扭矩，并允许在负载变化时进行精确和响应性的速度控制。FOC还通过完美地保持定子和转子磁通，即使在瞬态运行中也能保证优化的效率。
了解船
理解FOC如何工作的一种方法是形成坐标参考转换过程的图像。如果你从定子的角度描绘一个交流电机的工作，你会看到一个正弦输入电流施加到定子上。这个时变信号产生一个旋转的磁通量。转子的速度是旋转磁通矢量的函数。从静止的角度看，定子电流和旋转磁通矢量看起来像交流量。
现在，想象一下在电机内部，沿着旋转转子以与定子电流产生的旋转磁通矢量相同的速度运行。在稳态条件下，从这个角度看电机，定子电流看起来像常数值，旋转磁通矢量是静止的。最终，要控制定子电流以获得所需的转子电流。使用坐标参考变换，定子电流可以像直流电流值一样使用简单的pi控制环进行控制。在底层，FOC算法通过消除时间和速度依赖性，实现对磁通量和转矩的直接和独立控制来工作。这是通过使用称为Clarke和Park变换的数学公式将电机的电气状态从数学上转换为一个双坐标定常旋转框架来实现的。
空间矢量脉冲宽度调制(PWM)是一种有效的电力电子控制方法。它同时最大限度地利用电机供电电压和最小化谐波损失。谐波会在电机铁芯中产生吸能涡流，从而显著降低电机效率。最重要的是，磁场定向控制可以用于交流感应和无刷直流电机，以提高效率和性能，FOC可以通过升级控制系统应用于现有电机。事实上，矢量控制技术，如FOC，可以与交流感应电机一起使用，以实现类似伺服电机的性能。
fpga的FOC
为了实现FOC，需要强大的计算设备，这使得FPGA在低成本性能方面的进步自然适合于电机控制。矢量控制算法必须以10到100千赫的速率连续地重新计算。与控制算法并行，需要在不影响控制算法定时的情况下执行高速PWM输出等额外的IP(知识产权)块。能够执行循环速率高达数百KHz的控制算法，结合其固有的并行执行和硬件可靠性，可以使FPGA成为这种应用的完美解决方案。这种方法为执行通信和为用户界面应用程序提供数据留下了额外的空间，fpga的可重构性允许用户在必要时调整控制算法。
NI LabView FPGA模块为可重构I/O(里约热内卢)COTS硬件目标上的FPGA提供图形化开发，允许用户使用内置功能或现有HDL IP创建自定义应用程序。LabView非常适合FPGA编程，因为它清楚地表示并行性和数据流。IPNet (ni.com/ipnet)是LabView FPGA搜索、下载和交换其他IP算法的配套网站。面向现场的LabView FPGA控制算法可通过NI知识产权网络(IPNet)免费下载。
为了将嵌入在FPGA中的算法连接到真实世界的信号，紧凑的里约热内卢和单板里约热内卢提供了广泛的I/O连接和经过验证的I/O驱动器，以读取霍尔效应传感器和控制驱动电机的电力电子设备。NI单板里约热内卢是一种低成本的OEM板级嵌入式平台，能够执行为紧凑型里约热内卢模块化平台开发的相同代码。这种组合解决方案允许设计团队使用模块化、灵活紧凑的里约热内卢快速构建嵌入式系统原型，然后快速部署到低成本的单板嵌入式硬件，并实现100%的代码重用。这种解决方案的其他主要好处包括缩短上市时间，并通过经过验证的中间件提高机器可靠性。
嵌入式设计中最大的挑战之一是需要努力创建、调试和验证驱动级软件堆栈，以集成嵌入式系统的所有硬件组件。传统上，这个集成过程是留给用户的，这会使嵌入式系统设计过程复杂化并延长。里约热内卢平台中间件驱动程序超越了传统单板计算机和其他嵌入式系统提供商提供的基本驱动程序，以提供更高的生产力和性能，并缩短上市时间。
每个支持rio的设备都包含驱动程序软件和其他配置服务软件。内置中间件驱动工具包含用于模拟、数字、运动和通信I/O与FPGA之间接口的内置函数，用于FPGA和处理器之间数据通信的传输函数，用于FPGA/处理器与内存接口的方法，用于处理器与外设(RS232串行、以太网)接口的函数，以及用于高性能的多线程驱动程序。
提高电机运行效率可以产生显著的能源和美元节省，并提供快速的投资回报。例如，一台500马力的电机每年运行8000小时，效率提高5%，每年可以节省超过1.2万美元和170千瓦时的电力。在评估控制系统升级时，请记住，在电机的生命周期中，能源成本通常比硬件成本高几个数量级。
| 作者信息 |
| 克里斯蒂安·弗里茨是国家仪器公司运动控制和机电一体化的产品经理。联络他的地址是christian.fritz@ni.com． |
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