根据国际能源报告，2006年电子电机能耗占全球总用电量的46%，相当于6040 Mt CO2排放量。因此，电机驱动器制造商需要增加先进的控制功能和工具，以优化系统能效。优化工厂生产系统能效的新型电机驱动生态系统已在世界各地得到广泛认可。对于欧洲来说，得益于节能政策，工业用电呈现每年1%的下降趋势。

电泵、风机、压缩机、输送机是工厂最常用的场所，大部分都是标准产品。用于小型机械设备的小型电机(0.75 kW以下)占全球存量的90%，但电机的能耗不到总量的10%。然而，中型工业电机(0.75千瓦至350千瓦)几乎占全球电机能耗的70%。在一个典型的应用中，只有50%的系统能耗被转化为有用的机械能，这引起了全球能源法规制定者和制造商的关注。在过去几年中，美国、中国、欧洲和其他地区的监管机构已经引入了最低能源性能标准(MEPS)。高品质电机的额定能效等级现在可以从最低功耗范围的80%提高到最高功耗范围的96%。于是，厂商开始在电机之外寻求节能手段。

图1描绘了现代工厂中自动化机器或过程的主要元件。这种方法为优化机器操作和过程提供了一种新的思路，并将能源效率和生产率提高到一个新的水平。

图1。自动化机器控制要求在功率逆变器、控制和通信电路之间使用多个反馈控制回路和安全屏障。

电机的效率和整体生产过程由几个控制层决定。

第一控制层调节功率逆变器的开关顺序，并控制电机电压和电流以及最大转矩输出。

第二层是位置和速度控制器，可以有效地操作机器。

在工艺设备中，它可以驱动最佳的泵流量；在自动化设备中，它可以是执行装配功能的一系列速度或位置命令。在后一种情况下，速度控制的响应时间比扭矩生产率对机器控制器更重要。通信和系统层的重要性越来越重要，因为现在多个电机通过高速数据网络同步，并连接到工厂网络。过程管理器可以在必要时按顺序打开机器，而不是在空闲模式下等待。网络安全功能使设备能够有效地启动和停止，并最大限度地减少停机时间。工厂经理跟踪电机驱动器的运行并诊断数据，以提高过程能效和可靠性。

高效扭矩生成：算法和以太网

电机效率是在任何给定速度和端电压下每安培转矩的函数。电子马达通过试图将其内部磁场拉到对准位置的力来产生扭矩。在图2的交流电机中，这些力是由定子和转子磁场的相互作用产生的。当定子电流与转子运动同步时，交流电机产生恒定的扭矩，并保持连续磁场的未对准。交流电机的转速与电机电流频率直接相关，调速需要变频电压源。当转子和定子之间的磁场对准误差达到最大时，效率最高。电机效率也取决于电机结构，尤其是转子磁场结构。在异步感应电动机(AIM)中，电流流经转子和定子绕组，消耗部分最小定子电流来磁化磁芯。永磁同步电机(PMSM)效率更高，因为它们不需要任何电流来磁化转子磁场。超高效内永磁(IPM)电机借助突出的磁芯结构可以产生额外的转矩。

图2。PMSM和AIM电机具有相似的定子磁场结构，但转子磁场结构非常不同。

以上电机都是工业用的，取决于功率和应用要求，但异步感应电机由于结构简单，使用方便，是目前最常用的电机。永磁同步电机(PMSM)具有较高的转矩重量比，其低惯性转子结构使其非常适合自动化设备的高动态控制应用。但三条相交流线直接相连时可以启动AIM，可以用简单的变频器控制速度。过去，效率不如现在重要。一般来说，风扇、泵或压缩机直接连接到交流线路，过程由风门、阀门或简单的开/关控制。当转速为50%时，开环频率控制可以将离心泵的功耗降低到全功率的20%以下；当流量通过开/关控制降低到50%时，功耗为全功率的50%。该系统效率的提高促使制造商对现有定速电机中使用的变频器进行改造。最近，先进的算法可以通过微调定子电压来调整转子磁场，然后优化效率。驱动制造商已经开始提供标准驱动盒，可以为各种电机型号和类型进行配置。

最新的模拟和数字信号处理设备甚至在成本敏感型逆变器应用中引入了先进的控制功能。

估算算法仅测量定子电流和电压便可计算 出转子磁场的角位置。这些无传感器控制算法简化了高效率IPM 电机的部署，并最大程度提升压缩机和运输机等应用的处理效 率。诸如绕组机器或大型泵等较高功耗应用依然倾向于采用感应 电机，但500 kW电机的典型效率可高达96%。这些驱动器内置的算法通常可以优化电机效率，并监控驱动器的工作情况。一般而 言，这些驱动器采用串行现场总线连接，允许本地PLC记录运行 和诊断数据。一个不断增长的趋势是使用诸如Ethernet/IP或Modbus TCP等工业以太网协议将驱动器连接到工厂网络中，以便通过协 调多个驱动器运行而改善效率。

高效运动控制： 精确隔离和通信

精确运动控制加上精确通信时序，可缩短机器生产周期，降低生产每个部件所消耗的能源。由于设备的资本投入，这一点在机器 生产率和质量通常比电机能效更重要的自动化系统中很重要。驱 动器制造商通过PMSM伺服电机和驱动器支持自动化应用；这些 电机和驱动器设计为可在速度和位置控制中实现快速响应和高精 度。

快速控制处理器配合精确电压驱动器和电流反馈，可提供 平滑的动态扭矩控制。功率变频器中的高电压和电流对电路设计 人员来说是一种挑战，因为隔离电路必须满足严格的电气安全标 准。高速磁隔离技术支持模拟和数字信号电压的安全隔离，且不 会降低速度或精度性能。编码器处内置的精密模数转换器可提供 高达24位分辨率的位置反馈，从而在低至1 RPM的速度下实现高动 态速度控制。这种性能水平可支持的自动化应用有：精密机器部 件的多轴铣磨、精细几何集成电路的装配，或手机部件的注塑成 型。除了控制精度，电机运动时序还需紧密同步，因为时序误差 直接导致多轴位置控制的轨迹误差。诸如PROFINET和EtherCat等同 步工业以太网协议采用经过修改的以太网网络接口，支持数据的 实时同步，且时钟抖动低至1 μs。这些网络接口支持全部两种同步 运动控制，可实现生产系统管理的高生产率和工厂网络连接性。

工程效率：快速定制

建模工具可让驱动器公司为最终应用快速定制控制算法，无需在工厂中投入大量试生产和误差调谐。

自动化机器是复杂的互连系统，需要跨学科工程团队的支持。图 3仅显示支持开发自动化设备开发所需的部分关键设计功能。一 般而言，很多这类工程师供职于不同的公司，因此供应链上的不 同供应商必须为设计人员的整合工作提供支持。MathWorks等公司提供的建模工具支持完整的系统模型，包括状态控制、运动算 法、电机和机器负载。特殊的电磁和机械设计工具可以生成交流 电机和机器的行为模型，增加系统模型的精度。虽然无法完全自 动化整个设计过程，但可以大幅减少原型制作次数。新电机或机 器的控制算法可在进行原型制作前于仿真平台上完成开发和测 试。自动代码生成工具允许在测试平台上快速部署控制算法。每 一次设计迭代都提供新的数据，改进系统模型的精度。自动生成 的控制代码加上经过验证的系统应用代码，可以用于生产驱动器 系统中。因此，驱动器公司可快速部署针对特定应用优化的新控 制功能，进而优化能效和自动化生产率。

图3. 电机驱动和自动化系统设计需要用到多种工程工具。

结论

越来越多的工业和仪表应用要求使用精密转换器来实现各种工艺 的精确控制与测量。此外，这些最终应用还要求更高的灵活性、 可靠性和功能集，同时降低成本和电路板面积。元件制造商正在 解决这些难题，并推出了一系列产品来满足系统设计人员对当前 与未来设计的要求。如本文所述，有多种途径可选择合适的元件用于精密应用，每一种都各有优缺点。随着系统精度的提高，人们需要更加注重合适元件的选择，以满足应用要求。