實現(xiàn)高能效電器設(shè)備的變速電機控制

壓縮機電機的變速控制可以極大地降低峰值和平均能耗。然而，由于空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)要求減少季節(jié)性平均能耗，就連蒸發(fā)器和冷凝器風(fēng)扇的能耗控制也顯得很重要。

電器設(shè)備制造也面臨艱巨的設(shè)計挑戰(zhàn)，不僅要滿足能效標(biāo)準(zhǔn)，還要應(yīng)付鋼、鋁和銅等原材料價格的飛漲。壓縮機電機的變速控制可以極大地降低峰值和平均能耗。然而，由于空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)要求減少季節(jié)性平均能耗，因此蒸發(fā)器和冷凝器風(fēng)扇消耗的能量也很重要。

洗衣標(biāo)準(zhǔn)的重點是洗衣時的熱水消耗以及脫水過程中的脫水量，目的是減少熱水器和干燥機的能耗。全球有些地區(qū)干旱問題非常嚴重，因此洗衣標(biāo)準(zhǔn)要求減少總耗水量。這些標(biāo)準(zhǔn)同樣適用于電冰箱和抽水泵等較低功率電器設(shè)備，因為這些連續(xù)運轉(zhuǎn)的設(shè)備會消耗很多能量。它們還需要添加新的產(chǎn)品功能，以便不靠價格戰(zhàn)也能在市場中立于不敗。

制造商們正在關(guān)注永磁同步電機（PMSM），因為它們具備很高的效率，而且鐵和銅的用量也很少。要想極具性價比地應(yīng)用PMSM變速控制功能，需要采用某種控制方法來避免使用工業(yè)傳動設(shè)備中經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)子位置傳感器。無傳感器的磁場定向控制（FOC）算法可以僅根據(jù)電流測量實現(xiàn)高性價比的PMSM變速控制。

設(shè)計挑戰(zhàn)在于如何優(yōu)化算法以滿足許多不同設(shè)備的性能要求。能效是壓縮機速度控制中最重要的要求，但在蒸發(fā)器風(fēng)扇控制中降低噪聲是關(guān)鍵。用于加熱的熱水循環(huán)泵控制不要求具備很高動態(tài)響應(yīng)的，但冷水供應(yīng)泵控制則要求很高的動態(tài)響應(yīng)以保持水流快速變化時的水壓。洗衣機的電機控制要求在低速時有較高的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制能力以改善洗衣周期，但在脫水過程中要求實現(xiàn)非常高速的控制。

無傳感器電機控制

FOC是在高端工業(yè)傳動裝置中常用于永磁交流電機控制的技術(shù)。該技術(shù)提供了很好的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制，同時提高了電機的效率。電機電流是正弦波，因此轉(zhuǎn)矩非常平滑，從而有效地降低了噪聲和機械振動。

雖然這種性能非常理想，但設(shè)備制造商卻無法降低伺服電機中常用的高分辨率轉(zhuǎn)子位置傳感器的成本。然而，只要在低速性能方面作少許妥協(xié)，就不需任何位置傳感器也能實現(xiàn)磁場定向控制。圖1所示的無傳感器FOC算法可以從轉(zhuǎn)子磁通量得到位置參數(shù)，它是通過計算繞組反電動勢的積分獲得的。

這種方法在中、高速時可以取得很好的控制性能，但當(dāng)電路和測量噪聲干擾反向電動勢信號時，低速的性能則會下降。但是這不算是很重要的問題，因為設(shè)備傳動不要求把轉(zhuǎn)矩完全控制到零速。

控制器使用加在繞組電壓和測量電流來計算源自電機電路模型的繞組反向電動勢。電機繞組電流的直接測量相對比較昂貴，因為高共模電壓，所以它需要進行隔離式測量。更具性價比的方法是通過采樣直流環(huán)分路電流來重構(gòu)電機電流。采樣定時信號取自決定逆變器開關(guān)狀態(tài)的脈寬調(diào)制器（PWM）。每個PWM周期有兩個允許采樣不同相位電流的有效狀態(tài)。因為繞組電流的總和為零，所以第三相電流就很容易確定了。

圖1：無傳感器磁場定向控制（FOC）算法

因為反電動勢項是正弦和余弦函數(shù)，兩相電路模型簡化了磁通估算器的計算。兩相等效電壓和電流在FOC電流環(huán)內(nèi)很容易得到。等式1a和1b對繞組反向電動勢、電阻和電感進行了建模。

對這些等式積分得出等式2a和2b，其中的各個項是轉(zhuǎn)子磁通角的正余弦函數(shù)。

角度和速度鎖相環(huán)（PLL）促使角度估計跟蹤轉(zhuǎn)子磁通角，并得出位置和速度信息。PLL使用Park矢量旋轉(zhuǎn)來計算角度估計誤差的正弦值，當(dāng)鎖定為轉(zhuǎn)子角時該值為零。開始時，磁通估計器信號是不可靠的，因此PLL運行在開環(huán)模式。電機和負載模型將驅(qū)動角度積分器估計轉(zhuǎn)子速度。當(dāng)電機達到某一最低速度時PLL切換到閉環(huán)模式。

無傳感器PMSM控制設(shè)計平臺

數(shù)字控制芯片可以利用專用的運動控制處理器實現(xiàn)無傳感器的FOC算法。運動控制引擎（MCE）里有一個定序器，用來鏈接MCE庫中的電機控制ASIC函數(shù)。這種技術(shù)可以結(jié)合了可編程系統(tǒng)的靈活性和專用ASIC的速度與效率優(yōu)勢?？刂菩酒€集成有電機相位電流測量所需的模擬放大器和AD轉(zhuǎn)換器。

PWM調(diào)制器無需軟件參與就能自動產(chǎn)生采樣定時信號?？刂菩酒械牧硪粋€基本單元是用于實現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用功能的8位微控制器內(nèi)核。這個8位處理器是系統(tǒng)主處理器，管理著負載切換、速度分布和外部通信。它利用共享RAM塊實現(xiàn)與MCE的通信，因此電機控制算法幾乎獨立于8位處理器工作，而僅在設(shè)置點或控制參數(shù)變化時起反應(yīng)。

設(shè)計平臺包括數(shù)字控制芯片和用于空調(diào)、洗衣機或水泵等專用設(shè)備的集成式電源模塊。設(shè)計套件包含了可投入實際使用的應(yīng)用開發(fā)板，上面有交流輸入整流器、電源、控制芯片和電源模塊，如圖2所示。

圖2：參考設(shè)計套件原理圖

控制芯片固件包含有完整的無傳感器控制算法和一個基于8051的調(diào)試代理。后者能夠幫助用戶輕松定制控制參數(shù)來滿足具體的設(shè)備要求。

應(yīng)用程序開發(fā)挑戰(zhàn)

控制算法具有針對不同設(shè)備應(yīng)用的多種特性?？照{(diào)壓縮電機使用內(nèi)部永磁（IPM）電機，因為它們效率更高。IPM電機產(chǎn)生的每安培轉(zhuǎn)矩比表面磁電機要高出15%左右，這是磁力矩造成的。針對IPM電機轉(zhuǎn)矩的等式3包含有電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩項，其中磁阻轉(zhuǎn)矩隨電機電流的平方值而變化，是轉(zhuǎn)子角度2倍的正弦函數(shù)。

從圖3所示轉(zhuǎn)矩函數(shù)曲線圖可以看出，需要提前相位角，并將它作為電流的函數(shù)來最大化每安培的轉(zhuǎn)矩。

圖3：內(nèi)部永磁（IPM）電機轉(zhuǎn)矩函數(shù)

無傳感器控制器包含有這個角度提前功能，其增益取決于電機的凸極（它是磁化的首選方向）。

洗衣機控制是極具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，因為它要求非常寬的速度范圍。在低速洗衣時，要求具備很高的轉(zhuǎn)矩，因此電機設(shè)計應(yīng)該最大化轉(zhuǎn)子磁通。然而，在脫水過程電機運轉(zhuǎn)速度將達到洗衣速度的20多倍，此時要求非常低的轉(zhuǎn)子磁通。磁場定向控制器可以很好地管理這一過程。一旦反向電動勢達到逆變器電壓極限，它就注入一個直流分量并置在轉(zhuǎn)子磁通上。磁場弱化電流的計算非常復(fù)雜，因為它隨速度和負荷的變化而變化。磁場弱化控制器采用反饋控制環(huán)路監(jiān)視定子電壓幅度以避免這種計算，當(dāng)幅度接近逆變器極限時自動增加磁場弱化電流。

洗衣機控制面臨的另一個挑戰(zhàn)是在進入脫水程序前對洗衣負荷的失衡檢測。對負荷失衡檢測的改進可以節(jié)省常用于解決失衡問題的機械式阻尼器，并減輕由于失衡導(dǎo)致的振動?？刂破鲗㈦姍C電流分離為磁場控制和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流，從而提供負荷信息。洗衣機控制工程師使用MCE庫中的函數(shù)建立他們自己的負荷失衡濾波器。在8051處理器上運行的洗衣機循環(huán)軟件再從共享存儲器中讀取濾波器輸出數(shù)據(jù)，然后決定旋轉(zhuǎn)速度。