實(shí)現(xiàn)高能效電器設(shè)備的變速電機(jī)控制

壓縮機(jī)電機(jī)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(jì)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(jià)格的飛漲。壓縮機(jī)電機(jī)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(diǎn)是洗衣時(shí)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(jī)的能耗。全球有些地區(qū)干旱問題非常嚴(yán)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?yàn)檫@些連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備會(huì)消耗很多能量。它們還需要添加新的產(chǎn)品功能，以便不靠?jī)r(jià)格戰(zhàn)也能在市場(chǎng)中立于不敗。

制造商們正在關(guān)注永磁同步電機(jī)（PMSM），因?yàn)樗鼈兙邆浜芨叩男?，而且鐵和銅的用量也很少。要想極具性價(jià)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(dòng)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(chǎng)定向控制（FOC）算法可以僅根據(jù)電流測(cè)量實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的PMSM變速控制。

設(shè)計(jì)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(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的，但冷水供應(yīng)泵控制則要求很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以保持水流快速變化時(shí)的水壓。洗衣機(jī)的電機(jī)控制要求在低速時(shí)有較高的動(dòng)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(shí)現(xiàn)非常高速的控制。

無傳感器電機(jī)控制

FOC是在高端工業(yè)傳動(dòng)裝置中常用于永磁交流電機(jī)控制的技術(shù)。該技術(shù)提供了很好的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制，同時(shí)提高了電機(jī)的效率。電機(jī)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(jī)械振動(dòng)。

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(jī)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(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)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(jì)算繞組反電動(dòng)勢(shì)的積分獲得的。

這種方法在中、高速時(shí)可以取得很好的控制性能，但當(dāng)電路和測(cè)量噪聲干擾反向電動(dòng)勢(shì)信號(hào)時(shí)，低速的性能則會(huì)下降。但是這不算是很重要的問題，因?yàn)樵O(shè)備傳動(dòng)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(cè)量電流來計(jì)算源自電機(jī)電路模型的繞組反向電動(dòng)勢(shì)。電機(jī)繞組電流的直接測(cè)量相對(duì)比較昂貴，因?yàn)楦吖材ｋ妷海运枰M(jìn)行隔離式測(cè)量。更具性價(jià)比的方法是通過采樣直流環(huán)分路電流來重構(gòu)電機(jī)電流。采樣定時(shí)信號(hào)取自決定逆變器開關(guān)狀態(tài)的脈寬調(diào)制器（PWM）。每個(gè)PWM周期有兩個(gè)允許采樣不同相位電流的有效狀態(tài)。因?yàn)槔@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(chǎng)定向控制（FOC）算法

因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)項(xiàng)是正弦和余弦函數(shù)，兩相電路模型簡(jiǎn)化了磁通估算器的計(jì)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(duì)繞組反向電動(dòng)勢(shì)、電阻和電感進(jìn)行了建模。

對(duì)這些等式積分得出等式2a和2b，其中的各個(gè)項(xiàng)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(jì)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(jì)算角度估計(jì)誤差的正弦值，當(dāng)鎖定為轉(zhuǎn)子角時(shí)該值為零。開始時(shí)，磁通估計(jì)器信號(hào)是不可靠的，因此PLL運(yùn)行在開環(huán)模式。電機(jī)和負(fù)載模型將驅(qū)動(dòng)角度積分器估計(jì)轉(zhuǎn)子速度。當(dāng)電機(jī)達(dá)到某一最低速度時(shí)PLL切換到閉環(huán)模式。

無傳感器PMSM控制設(shè)計(jì)平臺(tái)

數(shù)字控制芯片可以利用專用的運(yùn)動(dòng)控制處理器實(shí)現(xiàn)無傳感器的FOC算法。運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE）里有一個(gè)定序器，用來鏈接MCE庫(kù)中的電機(jī)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(shì)?？刂菩酒€集成有電機(jī)相位電流測(cè)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(dòng)產(chǎn)生采樣定時(shí)信號(hào)。控制芯片中的另一個(gè)基本單元是用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用功能的8位微控制器內(nèi)核。這個(gè)8位處理器是系統(tǒng)主處理器，管理著負(fù)載切換、速度分布和外部通信。它利用共享RAM塊實(shí)現(xiàn)與MCE的通信，因此電機(jī)控制算法幾乎獨(dú)立于8位處理器工作，而僅在設(shè)置點(diǎn)或控制參數(shù)變化時(shí)起反應(yīng)。

設(shè)計(jì)平臺(tái)包括數(shù)字控制芯片和用于空調(diào)、洗衣機(jī)或水泵等專用設(shè)備的集成式電源模塊。設(shè)計(jì)套件包含了可投入實(shí)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(jì)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(gè)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(duì)不同設(shè)備應(yīng)用的多種特性?？照{(diào)壓縮電機(jī)使用內(nèi)部永磁（IPM）電機(jī)，因?yàn)樗鼈冃矢?。IPM電機(jī)產(chǎn)生的每安培轉(zhuǎn)矩比表面磁電機(jī)要高出15%左右，這是磁力矩造成的。針對(duì)IPM電機(jī)轉(zhuǎn)矩的等式3包含有電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩項(xiàng)，其中磁阻轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩函數(shù)

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

洗衣機(jī)控制是極具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，因?yàn)樗蠓浅挼乃俣确秶Ｔ诘退傧匆聲r(shí)，要求具備很高的轉(zhuǎn)矩，因此電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該最大化轉(zhuǎn)子磁通。然而，在脫水過程電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度將達(dá)到洗衣速度的20多倍，此時(shí)要求非常低的轉(zhuǎn)子磁通。磁場(chǎng)定向控制器可以很好地管理這一過程。一旦反向電動(dòng)勢(shì)達(dá)到逆變器電壓極限，它就注入一個(gè)直流分量并置在轉(zhuǎn)子磁通上。磁場(chǎng)弱化電流的計(jì)算非常復(fù)雜，因?yàn)樗S速度和負(fù)荷的變化而變化。磁場(chǎng)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(jì)算，當(dāng)幅度接近逆變器極限時(shí)自動(dòng)增加磁場(chǎng)弱化電流。

洗衣機(jī)控制面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是在進(jìn)入脫水程序前對(duì)洗衣負(fù)荷的失衡檢測(cè)。對(duì)負(fù)荷失衡檢測(cè)的改進(jìn)可以節(jié)省常用于解決失衡問題的機(jī)械式阻尼器，并減輕由于失衡導(dǎo)致的振動(dòng)?？刂破鲗㈦姍C(jī)電流分離為磁場(chǎng)控制和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流，從而提供負(fù)荷信息。洗衣機(jī)控制工程師使用MCE庫(kù)中的函數(shù)建立他們自己的負(fù)荷失衡濾波器。在8051處理器上運(yùn)行的洗衣機(jī)循環(huán)軟件再?gòu)墓蚕泶鎯?chǔ)器中讀取濾波器輸出數(shù)據(jù)，然后決定旋轉(zhuǎn)速度。