無傳感器交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)提高了運(yùn)行效率

　　在家用電氣市場領(lǐng)域，全球范圍的節(jié)能和節(jié)水呼聲非常高。政府法令和建議條款正在重新定義一個(gè)節(jié)能和合理高效使用能源的時(shí)代。為了滿足政府的政策規(guī)定，以及降低系統(tǒng)成本，應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師正在使用高性能的數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）。

　　基于數(shù)字信號(hào)控制技術(shù)的控制方案使用一個(gè)具有MCU功能的數(shù)字信號(hào)處理器，用于控制電動(dòng)機(jī)的供電，這種方案能夠非常容易的在單芯片上實(shí)現(xiàn)。此外，靈活的外圍設(shè)備也可以令設(shè)計(jì)工程師非常方便地實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能。使用可調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器讓設(shè)計(jì)工程師有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)更多非常復(fù)雜和精確的控制程序，并可以增強(qiáng)設(shè)備的性能，同時(shí)又能提高能效。

　　絕大多數(shù)家用電氣中電動(dòng)機(jī)所用的電子驅(qū)動(dòng)器的控制是非常簡單的，要么使用固定恒速電動(dòng)機(jī)，要么就直接由交流電源驅(qū)動(dòng)，而不需要額外的控制電路。交流單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（ACIM）由于成本低和可靠性高而得到非常廣泛的應(yīng)用，但它的效率低，而且調(diào)速困難。調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過保持精確的轉(zhuǎn)速控制，可以滿足能效需求。

　　交流電動(dòng)機(jī)的選擇

　　可以選擇的電動(dòng)機(jī)類型有交流單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。為了對交流單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，就必須調(diào)整供電的頻率和電壓，這通常是指恒定電壓/Hz控制。單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)速度驅(qū)動(dòng)的效率可以通過使用向量控制得到改善，但需要通過速度或位置傳感器來精確測量速度，其結(jié)果就是成本會(huì)提高，而且需要很多配線。

　　永磁電動(dòng)機(jī)不使用定子繞組實(shí)現(xiàn)磁場。使用永磁體代替電磁激勵(lì)有很多優(yōu)點(diǎn)。最常見的就是不會(huì)有激勵(lì)損耗，這表明永磁電動(dòng)機(jī)比其他電動(dòng)機(jī)具有更高的功率密度。它的總體效率接近90%，而交流單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率只有大約70%。永磁激勵(lì)的同步電動(dòng)機(jī)對于家庭應(yīng)用是非常具有吸引力的，但它們卻不能直接由交流供電。

　　調(diào)速電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)

　　如果電動(dòng)機(jī)的電子控制器優(yōu)化了速度扭矩比，消耗的總功率就可以降低至30%。交流調(diào)速驅(qū)動(dòng)的控制器通過調(diào)整供給電動(dòng)機(jī)的交流電頻率來設(shè)置速度。

　　如圖1所示，完整的調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括EMI濾波器、輸入整流器、直流供電、DSC（數(shù)字信號(hào)控制器）、信號(hào)調(diào)理電路，供電變極器，以及門控驅(qū)動(dòng)器等。

　　圖1 使用供電變極器設(shè)置驅(qū)動(dòng)頻率的調(diào)速控制

　　電機(jī)控制策略

　　在交流單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速驅(qū)動(dòng)中，開環(huán)標(biāo)量控制是最普遍的控制策略。圖2描述了電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率的標(biāo)量控制，電壓的幅度與頻率成比例。這種技術(shù)需要能夠?qū)β蔬M(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算，并能夠被8位微控制器所處理。

　　圖2 向量控制提供了一種不需要旋轉(zhuǎn)傳感器的簡單方法

　　這種簡化方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是不需要傳感器，而且控制算法也不需要角速度或電機(jī)位置信息。速度是與外部負(fù)載的扭矩相關(guān)的，然而，這也是一個(gè)最大的缺點(diǎn)，也就是它會(huì)降低動(dòng)態(tài)性能。由于這個(gè)原因，標(biāo)量控制的電動(dòng)機(jī)在負(fù)載瞬時(shí)變化時(shí)，就會(huì)輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過需要的扭矩。理論上，使用這種控制方法，能效可能低到50%。

　　然而，市場需要更高動(dòng)態(tài)性能和工作速度范圍的電動(dòng)機(jī)。交流供電機(jī)械中向量控制（面向現(xiàn)場控制）比標(biāo)量控制提供了更好的性能。向量控制克服了恒定電壓/Hz控制方法中絕大部分缺點(diǎn)。

　　圖3 使用向量控制的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能夠提供最高的動(dòng)態(tài)性能和速度可調(diào)范圍

　　內(nèi)部電流回路計(jì)算了需要產(chǎn)生的扭矩和磁通電流要求的定子轉(zhuǎn)向和定子電壓積分。Park（dq/aβ）單元將電壓轉(zhuǎn)換為在靜態(tài)參考結(jié)構(gòu)中所需求的三相交流定子電壓。

　　電動(dòng)機(jī)的電流波形是正弦曲線，這可以產(chǎn)生平穩(wěn)的扭矩，而且會(huì)減小機(jī)械震動(dòng)和噪聲。外部速度回路調(diào)整供電的定子數(shù)量，這直接與定子電流的積分成比例，并維持所要求的角速度。為了在基本速度之上擴(kuò)展工作速度的范圍，增加了額外的磁通弱化回路，用于處理定子定向磁通電流。

　　無傳感器控制

　　為了用向量控制模式控制交流電動(dòng)機(jī)，可以使供電的頻率和轉(zhuǎn)子磁通的位置同步。無傳感器工作的本質(zhì)是用計(jì)算速度和位置的方法替代傳感器。無傳感器控制改善了電動(dòng)機(jī)控制的可靠性，并且能夠在不增加額外成本的條件下維持很高的性能水平。這樣的系統(tǒng)是更加精確和高效、體積更小、重量更輕、噪聲更低，而且有更多的先進(jìn)功能。

　　無傳感器算法廣義上可以分為兩大類，一種是使用磁轉(zhuǎn)子，它可以非常好地追蹤轉(zhuǎn)子的位置；另一種是通過計(jì)算電動(dòng)機(jī)的工作模式來估計(jì)出轉(zhuǎn)子的位置。

　　在電冰箱中，常規(guī)控制只是簡單地開和關(guān)壓縮機(jī)來把溫度維持在預(yù)先設(shè)定的范圍。使用無傳感器永磁電動(dòng)機(jī)控制，控制器可以在幾秒鐘內(nèi)將壓縮機(jī)加速到它的目標(biāo)速度，并且可以將速度控制在±1%之內(nèi)。壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行降低了人耳可聽見的噪聲，而且更低的平均工作速度有助于減少溫度循環(huán)周期，可以改善整體效率。

　　在洗衣機(jī)中，電動(dòng)機(jī)的工作主要有兩個(gè)基本周期，即洗衣階段和甩干階段。在洗衣階段，電動(dòng)機(jī)工作在低速狀態(tài)，具有很高的扭矩。在甩干階段，電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)工作在非常高的速度。在比較新一些的模式中，控制器估計(jì)的速度起伏和計(jì)算的負(fù)載扭矩提供了關(guān)于洗衣過程中負(fù)載分配的有價(jià)值信息。在啟動(dòng)甩干階段之前，速度起伏用于估計(jì)負(fù)載平衡。調(diào)速電動(dòng)機(jī)可以用于控制洗衣過程的速度浴盆曲線，并且?guī)椭Ｕ胶狻?/P>

　　這種控制方法可以使用A/D轉(zhuǎn)換器對模擬反饋信號(hào)（電壓，電流）進(jìn)行數(shù)字化。A/D轉(zhuǎn)換器與PWM的重加載標(biāo)志同步，但采樣時(shí)間根據(jù)實(shí)際PWM碼型的功能不同而不同。這樣的配置允許在一個(gè)PWM周期內(nèi)，對直接控制總線電流和電壓模擬值進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換。

　　PWM模塊可以在一個(gè)中心對齊的配置中產(chǎn)生非對稱的PWM占空周期，以用于重建每個(gè)關(guān)鍵開關(guān)碼型中的三相電流。在數(shù)字信號(hào)控制器中，一個(gè)靈活的四路定時(shí)器模塊為每個(gè)時(shí)間事件提供定時(shí)。在一般的應(yīng)用中，使用一個(gè)通道用于把PWM和A/D轉(zhuǎn)換器同步，另一個(gè)通道用于系統(tǒng)速度控制回路（周期為1ms）。數(shù)字信號(hào)控制器可以通過一個(gè)隔離鏈路與前面板主控制單元通信。