無傳感器交流電動機控制技術提高了運行效率

在家用電氣市場領域，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節(jié)能和合理高效使用能源的時代。為了滿足政府的政策規(guī)定，以及降低系統(tǒng)成本，應用設計工程師正在使用高性能的數(shù)字信號控制器（DSC）。

基于數(shù)字信號控制技術的控制方案使用一個具有MCU功能的數(shù)字信號處理器，用于控制電動機的供電，這種方案能夠非常容易的在單芯片上實現(xiàn)。此外，靈活的外圍設備也可以令設計工程師非常方便地實現(xiàn)各種各樣的功能。使用可調速電動機驅動器讓設計工程師有機會設計更多非常復雜和精確的控制程序，并可以增強設備的性能，同時又能提高能效。

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

交流電動機的選擇
可以選擇的電動機類型有交流單相感應電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機。為了對交流單相感應電動機調速，就必須調整供電的頻率和電壓，這通常是指恒定電壓/Hz控制。單相感應電動機速度驅動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，其結果就是成本會提高，而且需要很多配線。

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

調速電動機的驅動
如果電動機的電子控制器優(yōu)化了速度扭矩比，消耗的總功率就可以降低至30%。交流調速驅動的控制器通過調整供給電動機的交流電頻率來設置速度。

如圖1所示，完整的調速驅動系統(tǒng)包括EMI濾波器、輸入整流器、直流供電、DSC（數(shù)字信號控制器）、信號調理電路，供電變極器，以及門控驅動器等。

圖1 使用供電變極器設置驅動頻率的調速控制

電機控制策略
在交流單相感應電動機的調速驅動中，開環(huán)標量控制是最普遍的控制策略。圖2描述了電機驅動頻率的標量控制，電壓的幅度與頻率成比例。這種技術需要能夠對功率進行適當?shù)挠嬎?，并能夠?位微控制器所處理。

圖2 向量控制提供了一種不需要旋轉傳感器的簡單方法

這種簡化方法的最大優(yōu)點就是不需要傳感器，而且控制算法也不需要角速度或電機位置信息。速度是與外部負載的扭矩相關的，然而，這也是一個最大的缺點，也就是它會降低動態(tài)性能。由于這個原因，標量控制的電動機在負載瞬時變化時，就會輸出遠遠超過需要的扭矩。理論上，使用這種控制方法，能效可能低到50%。

然而，市場需要更高動態(tài)性能和工作速度范圍的電動機。交流供電機械中向量控制（面向現(xiàn)場控制）比標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。

圖3 使用向量控制的電動機驅動能夠提供最高的動態(tài)性能和速度可調范圍

內部電流回路計算了需要產生的扭矩和磁通電流要求的定子轉向和定子電壓積分。Park（dq/aβ）單元將電壓轉換為在靜態(tài)參考結構中所需求的三相交流定子電壓。

電動機的電流波形是正弦曲線，這可以產生平穩(wěn)的扭矩，而且會減小機械震動和噪聲。外部速度回路調整供電的定子數(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機，可以使供電的頻率和轉子磁通的位置同步。無傳感器工作的本質是用計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機控制的可靠性，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，一種是使用磁轉子，它可以非常好地追蹤轉子的位置；另一種是通過計算電動機的工作模式來估計出轉子的位置。

在電冰箱中，常規(guī)控制只是簡單地開和關壓縮機來把溫度維持在預先設定的范圍。使用無傳感器永磁電動機控制，控制器可以在幾秒鐘內將壓縮機加速到它的目標速度，并且可以將速度控制在±1%之內。壓縮機的平穩(wěn)運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。

在洗衣機中，電動機的工作主要有兩個基本周期，即洗衣階段和甩干階段。在洗衣階段，電動機工作在低速狀態(tài)，具有很高的扭矩。在甩干階段，電動機在短時間內工作在非常高的速度。在比較新一些的模式中，控制器估計的速度起伏和計算的負載扭矩提供了關于洗衣過程中負載分配的有價值信息。在啟動甩干階段之前，速度起伏用于估計負載平衡。調速電動機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轉換器對模擬反饋信號（電壓，電流）進行數(shù)字化。A/D轉換器與PWM的重加載標志同步，但采樣時間根據(jù)實際PWM碼型的功能不同而不同。這樣的配置允許在一個PWM周期內，對直接控制總線電流和電壓模擬值進行多次轉換。

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