洗碗機(jī)水泵驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

目前很多洗碗機(jī)水泵的驅(qū)動(dòng)部分使用了三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)。PMSM要求智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所包含的微控制器用來解析轉(zhuǎn)子位置并實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 新型的由微處理器控制的洗碗機(jī)在節(jié)水節(jié)電的同時(shí)，能夠更加靜音。

由于PMSM中沒有換向器(即電刷)，因此電機(jī)控制技術(shù)必須基于對(duì)轉(zhuǎn)子位置的了解。該位置必須是可測(cè)量或可估計(jì)的。測(cè)量轉(zhuǎn)子位置要求在電機(jī)軸上安裝光編碼器(傳感器)等設(shè)備，而這樣做會(huì)大幅增加系統(tǒng)成本。如果可以用一個(gè)有效的方法估算轉(zhuǎn)子位置，那么就可以不使用傳感器。根據(jù)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(零速度、低速、高速等)的不同，用來估算轉(zhuǎn)子位置的方法有很多種。電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以利用觀測(cè)儀就低角誤差、動(dòng)態(tài)性能、錯(cuò)誤過濾等方面獲得良好結(jié)果。本文描述的解決方案使用的是“反電勢(shì)觀測(cè)儀”，它基于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

用來驅(qū)動(dòng)PMSM的高性能技術(shù)基于磁場(chǎng)定向控制(FOC)，有時(shí)簡(jiǎn)稱為“矢量控制”。這種方法的目的，是無(wú)論機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化和其他干擾如何，都能夠以精確追蹤命令軌跡的方式獨(dú)立控制氣隙中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈，并實(shí)現(xiàn)盡可能快的瞬時(shí)響應(yīng)。FOC方法加上估算轉(zhuǎn)子位置的反電勢(shì)觀測(cè)器，是驅(qū)動(dòng)基于 PMSM洗碗機(jī)水泵的理想解決方案。

洗碗機(jī)水泵

家電制造商最近已經(jīng)開始使用PMSM來驅(qū)動(dòng)洗碗機(jī)水泵，典型參數(shù)包括：

– 230V的線路電壓(歐洲)
– 6或8個(gè)磁極
– 80W額定功率
– 在d、q軸下定子相位等效電感Ld與Lq的關(guān)系為-Ld=Lq

洗碗機(jī)水泵控制算法在閉合的電流和速度環(huán)路中運(yùn)行。洗碗機(jī)內(nèi)的水壓用液壓系統(tǒng)(水管、噴水器等)的物理設(shè)計(jì)來表示，可以通過變換水泵的速度進(jìn)行控制。

典型的洗碗機(jī)水泵運(yùn)行特性包括103kPa(15psi)至827kPa(120psi)的水壓范圍和1,500rpm至3,500rpm 的機(jī)械泵速度。

PMSM電機(jī)控制方法

驅(qū)動(dòng)PMSM的比較適合的控制方法有數(shù)個(gè)。根據(jù)應(yīng)用性能和成本要求，本節(jié)描述的矢量控制方法(也稱為FOC)比較適當(dāng)。FOC控制方法的基本原理如圖1中所述。

 
圖1：FOC控制方法原理

矢量控制方法通過Clarke和Park變換，將定子電流空間矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的電流分量。一旦分解，氣隙磁鏈(d軸)和電磁轉(zhuǎn)矩(q軸)可以獨(dú)立進(jìn)行控制。這種方法能夠以類似于他勵(lì)直流電機(jī)的方式控制PMSM。

矢量控制方法的必要信息包括轉(zhuǎn)子的位置和速度，以及電機(jī)磁化磁鏈的位置。傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使用解析器或編碼器。這樣，監(jiān)控轉(zhuǎn)子所需的傳感器、配線和連接器就增加了系統(tǒng)成本，降低了可靠性。對(duì)于成本敏感型應(yīng)用，必須以其他方式獲取轉(zhuǎn)子位置。不采用位置傳感器的算法稱為“無(wú)傳感器控制”方法。圖2中的框圖顯示了實(shí)施的無(wú)傳感器矢量控制算法。位置和速度采用反電勢(shì)觀測(cè)儀及追蹤觀測(cè)儀進(jìn)行估算，如圖所示。

 
圖2：PMSM矢量控制算法框圖

PMSM 電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

電機(jī)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，因此我們用一組微分方程式對(duì)其進(jìn)行描述。alpha/beta靜止參照系中的定子電壓方程式可表達(dá)如下：

隱極電機(jī)的定子磁鏈可以表述為：

這樣，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就是：

其中pp為電機(jī)極對(duì)數(shù)量。

該數(shù)學(xué)模型描述了該洗碗機(jī)水泵應(yīng)用中使用到的PMSM 的行為，因此它可用于反電勢(shì)觀測(cè)儀。

轉(zhuǎn)子位置和速度估算

一般來說，“estimator”是一個(gè)估算狀態(tài)變量的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。estimator實(shí)施從根本上說有兩種形式：開環(huán)和閉環(huán)。在閉環(huán)estimator情況中，估算值和實(shí)際狀態(tài)變量之間的誤差作為校正項(xiàng)，調(diào)整響應(yīng)。閉環(huán)estimator也稱為觀測(cè)儀。

反電勢(shì)觀測(cè)儀基于對(duì)電動(dòng)勢(shì)的估算。反電勢(shì)模型包括來自傳統(tǒng)反電勢(shì)(轉(zhuǎn)子磁鐵)的感應(yīng)電壓和來自定子電感的感應(yīng)電壓。這讓我們能夠通過對(duì)反電勢(shì)的估算來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。這種方法在低速時(shí)有一定的局限性，因?yàn)榉措妱?shì)信號(hào)非常弱，幾乎為零，而且觀測(cè)儀發(fā)散。當(dāng)達(dá)到有效估算所需的最低運(yùn)算速度時(shí)，反電勢(shì)觀測(cè)儀估算轉(zhuǎn)子位置，可將其作為矢量控制算法的反饋信號(hào)。正確的觀測(cè)儀運(yùn)算的最低運(yùn)算速度(電壓)閾值取決于電機(jī)構(gòu)造，必須根據(jù)電機(jī)參數(shù)計(jì)算或直接在電機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。

觀測(cè)儀算法處理從PMSM 數(shù)學(xué)模型中得到以下方程式：

觀測(cè)儀本身估算相位電流和反電勢(shì)值。估算得出的電流與實(shí)際測(cè)量得到的電流進(jìn)行比較，誤差作為校正信號(hào)返回觀測(cè)儀結(jié)構(gòu)。這就使得觀測(cè)儀保持穩(wěn)定和集中，因此狀態(tài)變量將接近實(shí)際值。反電勢(shì)觀測(cè)儀可用以下方程式：

反電勢(shì)觀測(cè)儀的框圖如圖3所示。

 
圖3：反電勢(shì)觀測(cè)儀框圖

反電勢(shì)觀測(cè)儀輸出兩部分：()和()。這兩個(gè)信號(hào)生成關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的信息。轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸角度的轉(zhuǎn)子電氣位置，可以由來自擴(kuò)展反電勢(shì)估算的兩個(gè)輸入的反正切函數(shù)決定。這種方法產(chǎn)生轉(zhuǎn)子角度未過濾值，沒有速度信息。

估算轉(zhuǎn)子位置和速度的另外一個(gè)廣泛使用的方法是眾所周知的角度追蹤觀測(cè)儀。通過采用角度追蹤觀測(cè)儀，位置估算的噪音可以被過濾掉。角度追蹤觀測(cè)儀算法的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：作為算法一部分，它還會(huì)估算出轉(zhuǎn)子速度。圖4描述了角度追蹤觀測(cè)儀的結(jié)構(gòu)。

圖4：角度追蹤觀測(cè)儀框圖

控制算法實(shí)現(xiàn)

以反電勢(shì)觀測(cè)儀和角度追蹤觀測(cè)儀為基礎(chǔ)且?guī)в修D(zhuǎn)子位置和速度估算算法的矢量控制方法，目前已經(jīng)通過飛思卡爾的MC56F8006得以實(shí)現(xiàn)。

有三條控制環(huán)路控制速度、轉(zhuǎn)矩、磁鏈?？刂扑惴ㄔ趦?yōu)先的中斷服務(wù)程序中執(zhí)行。內(nèi)部控制環(huán)路最為關(guān)鍵(q軸電流和d軸電流)，每125μs執(zhí)行一次。外部控制環(huán)路(速度)每1ms執(zhí)行一次。內(nèi)部控制環(huán)路不可中斷，這點(diǎn)可以通過為其分配適當(dāng)?shù)母咧袛鄡?yōu)先級(jí)得以保證。這種方法簡(jiǎn)化了應(yīng)用框架設(shè)計(jì)，允許中斷程序優(yōu)先級(jí)由處理器自動(dòng)管理。矢量控制算法處理以下模擬信號(hào)：

– 三個(gè)電機(jī)相電流(ia、ib、ic)。這些信號(hào)通過安裝在三個(gè)逆變電路底部的三個(gè)并聯(lián)電阻進(jìn)行測(cè)量。

– DC總線電壓。

在任何給定實(shí)例中，只測(cè)量三個(gè)相電流中的其中兩個(gè)，計(jì)算第三個(gè)。當(dāng)接通相應(yīng)的底部晶體管，可以在并聯(lián)電阻器上看見電流?？梢栽谄渲袦y(cè)量電流的窗口依賴生成的PWM控制信號(hào)占空比，因此需要在適當(dāng)且精確的瞬間開始ADC轉(zhuǎn)換流程。借助MC56F8006 DSC中特別設(shè)計(jì)的硬件，可以圓滿完成這一艱巨任務(wù)。PWM模塊生成的可配置同步脈沖，可以輸入到可編程時(shí)延塊(PDB)中。之后，同步脈沖由PDB模塊進(jìn)行處理，輸出直接觸發(fā)ADC模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC測(cè)量的精確同步控制。這種同步機(jī)制由硬件進(jìn)行處理，沒有任何軟件干預(yù)。軟件只需要讀取ADC結(jié)果寄存器。這里描述的應(yīng)用使用這一功能，每125μs轉(zhuǎn)換6個(gè)模擬信號(hào)。ADC模塊包含兩個(gè)獨(dú)立的12位ADC轉(zhuǎn)換器，在經(jīng)過配置后可以依次、同時(shí)或并行運(yùn)行。要進(jìn)行相位電流取樣，使用同時(shí)運(yùn)行模式同時(shí)在兩個(gè)相位上進(jìn)行ADC測(cè)量。這樣就實(shí)現(xiàn)了精確的瞬時(shí)測(cè)量，三個(gè)相位電流都可以從該測(cè)量中提取。

由于反電勢(shì)觀測(cè)儀不從零速度開始運(yùn)行，轉(zhuǎn)子通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到已知狀態(tài)(相位)進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣我們就了解了初始轉(zhuǎn)子位置。然后使用開環(huán)啟動(dòng)算法，將電機(jī)加速到反電勢(shì)觀測(cè)儀能夠提供精確反饋結(jié)果的速度。從開環(huán)啟動(dòng)到閉環(huán)控制的切換平穩(wěn)進(jìn)行。

洗碗機(jī)水泵解決方案的運(yùn)行圖如圖5所示，基于飛思卡爾MC56F8006的逆變器如圖6所示。

圖5：運(yùn)行洗碗機(jī)泵演示

圖6：采用飛思卡爾MC56F8006器件的三相逆變器