瑞薩電子核心電機(jī)控制解決方案RAMDA

引言

隨著綠色環(huán)保、節(jié)能減排逐漸成為中國市場和社會的主題，政府監(jiān)管力度逐年加大，對各類產(chǎn)品的低能耗要求也越來越嚴(yán)格。從剃須刀，吹風(fēng)機(jī)這樣的小家電，到工業(yè)自動化生產(chǎn)線，種類繁多的電機(jī)在各種消費(fèi)類產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品中扮演著核心角色，為了達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，電機(jī)控制技術(shù)變得尤為重要。針對中國市場，瑞薩在積極推廣高性能、低功耗RX單片機(jī)的同時，還開發(fā)了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)電機(jī)控制解決方案RAMDA算法，用以構(gòu)建高性能、高可靠性的永磁同步電動機(jī)的驅(qū)動解決方案，幫助客戶開發(fā)新一代綠色環(huán)保的新產(chǎn)品。

家用電器保有量巨大，總能耗也十分可觀，是國家關(guān)注的重點(diǎn)。尤其對家用電器中的能耗大戶-空調(diào)器的能效要求逐年提高，其中空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動技術(shù)是提升能效的關(guān)鍵技術(shù)。

通過在RX單片機(jī)上結(jié)合RAMDA算法，客戶可以快速開發(fā)出高性能，高可靠性的空調(diào)室外機(jī)系統(tǒng)。

RAMDA算法簡介

• RAMDA算法是瑞薩電子提供的先進(jìn)變頻驅(qū)動解決方案，瑞薩電子具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

• RAMDA算法集電機(jī)控制和單相交流電源功率因數(shù)校正技術(shù)于一體，配合RAMDA程序框架，為用戶整體系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個堅實的基礎(chǔ)平臺和友好的用戶接口。

• RAMDA算法具備兩大核心技術(shù)：用于調(diào)節(jié)電源功率因數(shù)的A-PAM功能和先進(jìn)的壓縮機(jī)驅(qū)動技術(shù)。而這樣的算法，不增加硬件成本，相反，兩大核心技術(shù)同時提供了精簡的硬件需求。

• 經(jīng)過長期的市場驗證，得到客戶的充分認(rèn)可。

下圖為RAMDA控制邏輯框圖：

(1) 用于功率因數(shù)校正的A-PAM技術(shù)

A-PAM技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)

• 直流母線電壓可變

• 變頻系統(tǒng)綜合效率可調(diào)節(jié)

基于A-PAM，用戶可以精確控制直流母線電壓的輸出值，在保證系統(tǒng)綜合效率的前提下，提供足夠的直流母線電壓。 與傳統(tǒng)PFC相比較，A-PAM可以限制直流母線電壓的輸出值，PFC電路效率也比較高。

通過限制直流母線電壓，客戶可以選擇更低耐壓等級的濾波電容器，實現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本。例如在單相220V供電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)PFC的輸出直流電壓一般在350[V]-390[V]，系統(tǒng)設(shè)計者會選擇450[V]耐壓的濾波電容器。采用了A-PAM技術(shù)后，可以實時的根據(jù)負(fù)載的變化把直流母線電壓限制在最高340[V]±1[V],系統(tǒng)設(shè)計就可以選擇400[V]耐壓的濾波電容器，降低了系統(tǒng)的硬件成本。

另外，A-PAM技術(shù)不需要檢測交流電壓過零點(diǎn)或者幅值的硬件電路，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。

(2) 先進(jìn)的壓縮機(jī)驅(qū)動技術(shù)

RAMDA算法提供基本的永磁同步電動機(jī)驅(qū)動功能，基于電機(jī)的基本參數(shù)(磁極數(shù)、繞組電阻、同步電感、最大磁通量、轉(zhuǎn)動慣量)使電機(jī)高效穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。

而RAMDA算法與眾不同之處，是其獨(dú)創(chuàng)的力矩控制算法。

家電中普遍采用的都是單轉(zhuǎn)子類型的電機(jī)，如空調(diào)壓縮機(jī)等。在普通算法的驅(qū)動下，單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)會引發(fā)系統(tǒng)振動。這種振動時有害的。以空調(diào)系統(tǒng)為例，在低轉(zhuǎn)速(低于30[rps])的情況下，會形成系統(tǒng)共振，系統(tǒng)噪音提高，嚴(yán)重時還會造成空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)力集中點(diǎn)的損壞。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，電動機(jī)相電流的峰值高，諧波大，高頻的噪音高，并且限制了變頻器的輸出能力。針對這樣的市場要求，RAMDA算法包含了以下兩個力矩波動補(bǔ)償技術(shù)：

• G-type力矩控制

在G-type力矩控制作用下，系統(tǒng)振動達(dá)到最低，從而保證系統(tǒng)在低速下平穩(wěn)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)，擴(kuò)大了系統(tǒng)實際運(yùn)行的低頻范圍。通過下圖可以看出，G-type力矩控制可以在低于30[rps]時大幅降低系統(tǒng)振動。

• M-type力矩控制

在M-type力矩控制作用下，變頻器輸出恒定的力矩，電動機(jī)相電流波形峰值下降，降低了諧波與功率損耗，降低了系統(tǒng)噪音。下圖為M-type力矩控制時的電動機(jī)相電流波形與沒有力矩控制是的電動機(jī)相電流的比較。

獨(dú)創(chuàng)的過調(diào)制技術(shù)

與A-PAM技術(shù)相配合，提高直流母線電壓的利用率，過調(diào)制會帶來諧波失真。為了克服這一缺陷，RAMDA算法中限制諧波失真度低于10%，通過精準(zhǔn)的計算調(diào)制度與輸出電壓和直流母線電壓比值之間的關(guān)系，RAMDA算法開發(fā)了獨(dú)創(chuàng)的過調(diào)制算法。如下圖所示如果不應(yīng)用過調(diào)制技術(shù)，最大調(diào)制度只能到1.15。

在保證諧波失真度低于10%的情況下，應(yīng)用RAMDA算法的過調(diào)制技術(shù)，調(diào)制度最大可以達(dá)到2。

弱磁控制功能

盡量避免輸出電壓飽和，保證在有限的直流母線電壓的情況下，輸出符合要求的力矩。

隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，繞組中的感應(yīng)電壓幅值越來越高。 當(dāng)直流母線電壓一定時，繞組端電壓的幅值有限。 這樣，如果仍然根據(jù)MTPA等算法發(fā)送電壓指令，繞組電壓甚至低于感應(yīng)電動勢的電壓， 這就會導(dǎo)致繞組中的電流不足，逆變器無法輸送足夠的功率給電動機(jī)。 為了解決這一個問題，有意在d-軸上增加負(fù)的電流，讓繞組電壓的相位超前感應(yīng)電動勢， 以保持輸出到電動機(jī)的功率。這就是弱磁控制。 對于IPM電機(jī)來說，我們定義三種弱磁的“境界” 1)充分利用永磁扭矩和磁阻扭矩的MTPA算法。 2)直流母線電壓一定條件下，保持輸出扭矩恒定的“淺弱磁” 3)直流母線電壓一定條件下，保持高轉(zhuǎn)速和恒定輸出功率的“深度弱磁”。