家用電器中的無傳感器AC電機(jī)控制原理

全世界對水和能源保護(hù)，以及對新產(chǎn)品和服務(wù)的總體環(huán)保性的關(guān)注無疑影響著家用電器市場。實(shí)際監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和建議，無論是一國性的還是多國性的(EU標(biāo)準(zhǔn))，都對新一代家用電器，特別是洗衣機(jī)、烘干機(jī)、洗碗機(jī)和電冰箱提出了一些基本要求。為了滿足這些要求同時(shí)降低系統(tǒng)成本，必須部署配備有適當(dāng)軟件的增強(qiáng)型微控制器。

采用可變速度電機(jī)驅(qū)動(dòng)讓制造商有機(jī)會(huì)使用更精密的控制程序，這將增強(qiáng)設(shè)備性能，提高總體能效。因此，配備了可變速度驅(qū)動(dòng)和智能控制的家用電器勝過了那些配備無控制的、固定速度電機(jī)驅(qū)動(dòng)的家用電器。

對于家用電器行業(yè)的制造商來說，我們建議采用基于數(shù)字信號控制器(DSC)的解決方案，它將數(shù)字信號處理器的處理能力與微控制器的功能和易用性融入一粒芯片。一套靈活的外設(shè)能夠讓制造商實(shí)現(xiàn)眾多功能，例如標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法、高級控制算法、精密反饋信號傳感、功率因數(shù)校正方案、與外部環(huán)境的通信等等。

由于將電機(jī)速度固定在預(yù)先設(shè)定的水平上或直接從AC主電源運(yùn)行電機(jī)，家用電器中大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制都非常簡單，無需額外控制電子。之所以交流干線供電單相感應(yīng)電機(jī)(ACIM)被廣泛采用，是因?yàn)樗牡统杀尽?qiáng)勁性和可靠性。然而，ACIM解決方案也有明顯的缺陷，如效率低、有效速度控制較弱等，這阻礙了旨在增強(qiáng)產(chǎn)品靈活性、滿足監(jiān)管要求以及客戶預(yù)期的控制改進(jìn)控制。與單相ACIM相比，可變速度驅(qū)動(dòng)通過保持扭矩控制，滿足了能效要求，從而提高了設(shè)備總體效率。

AC電機(jī)選擇

可以驅(qū)動(dòng)家用電器的電機(jī)有不同類別，如ACIM、永磁(PM)電機(jī)或開關(guān)磁阻(SR)電機(jī)。電子驅(qū)動(dòng)效率和電動(dòng)機(jī)效率產(chǎn)品決定系統(tǒng)總能效。

?一般而言，要用ACIM實(shí)現(xiàn)可變速度，需要為其供應(yīng)可變頻率和電壓，這被稱為恒定電壓/頻率控制。采用矢量控制，ACIM速度驅(qū)動(dòng)效率可以進(jìn)一步提高。這要求與轉(zhuǎn)輪連接的速度或位置傳感器傳感準(zhǔn)確的速率信息，但增加傳感器、連接器和相應(yīng)布線會(huì)增加成本。

PM電機(jī)采用永磁建立通量，而不是從定子繞組建立。用永磁代替電磁激振有幾個(gè)優(yōu)勢，最明顯的優(yōu)勢是沒有激振損耗，這意味著PM電機(jī)比DC電機(jī)具有更高的功率密度。PM電機(jī)沒有機(jī)械轉(zhuǎn)向器，而且由于沒有通量導(dǎo)向電流，功率密度也超過AC感應(yīng)電機(jī)?？傮w效率接近90%，而單相ACIM效率只有大約70%。對家用電器來說，永久激振同步電機(jī)是極具吸引力的解決方案，但它們不能通過將AC電源應(yīng)用于定子繞組運(yùn)行。

如果能夠控制電動(dòng)機(jī)，優(yōu)化供應(yīng)能源，總體電子功耗最多可降低30%?？勺兯俣闰?qū)動(dòng)的控制器實(shí)際上是通過調(diào)節(jié)供應(yīng)給電機(jī)的電源頻率，控制AC電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。電子可變速度驅(qū)動(dòng)能夠讓電動(dòng)機(jī)在其全速范圍內(nèi)持續(xù)運(yùn)行?？勺兯俣闰?qū)動(dòng)的整個(gè)系統(tǒng)包括EMI過濾器、輸入整流器、板上DC電源、DSC、信號調(diào)節(jié)電路、功率逆變器和柵極驅(qū)動(dòng)器。

電機(jī)控制策略

開放回路標(biāo)量控制是可變速度驅(qū)動(dòng)最流行的控制策略，主要與ACIM一起使用。標(biāo)量控制基于供應(yīng)電壓頻率的變化。電壓波動(dòng)幅度與電壓頻率成比例，并隨著頻率變化而變化。這種方法要求可以由8位微控制器進(jìn)行處理的適度計(jì)算功率。

這種簡便方法的最大優(yōu)點(diǎn)是它是一種無傳感器模式，控制算法不需要角速度或?qū)嶋H轉(zhuǎn)子位置信息。然而，速度取決于外部負(fù)載扭矩是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能的降低。正因?yàn)榇?，?biāo)量控制下的電動(dòng)機(jī)必須超過標(biāo)準(zhǔn)尺寸，以便提供負(fù)載瞬變所需的扭矩。此外，標(biāo)量方法還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下、公用設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中的功率因數(shù)退化和運(yùn)行嘈雜。在該控制方法中，能效可以降到理論最大值的50%?；陔姍C(jī)型號的方法估算進(jìn)行機(jī)器的電氣位置信息編碼的電動(dòng)勢。

然而，市場需求要求盡可能高的動(dòng)態(tài)性能和操作速度范圍。作為電氣驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新方法，AC機(jī)器的矢量控制(磁場定向控制)較之標(biāo)量控制具有非常好的性能。矢量控制消除了恒定電壓/頻率控制的多數(shù)缺點(diǎn)。

在矢量控制系統(tǒng)內(nèi)，同步幀電流調(diào)節(jié)器已經(jīng)成為逆變器電流調(diào)節(jié)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。反向Park參考幀轉(zhuǎn)換功能計(jì)算與轉(zhuǎn)子磁場同步的參考幀內(nèi)部的定子電流和電壓。當(dāng)在旋轉(zhuǎn)參考幀中觀察時(shí)，所有電氣變量都有DC穩(wěn)定狀態(tài)值，使簡單PI調(diào)節(jié)器能夠提供零穩(wěn)定狀態(tài)誤差。除此之外，還可以設(shè)置調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將電流矢量分解為磁場發(fā)生器和扭矩發(fā)生器。

內(nèi)部電流回路計(jì)算創(chuàng)建理想扭矩和通量電流所需的直接和正交定子電壓。Park功能將這些電壓轉(zhuǎn)換成固定參考幀中的三相AC定子電壓需求。電機(jī)電流呈正弦曲線，因此產(chǎn)生平滑扭矩，最大限度地減少了噪音和機(jī)械振動(dòng)。外部速度回路調(diào)節(jié)所采用的扭矩幅度，與正交扭矩電流成正比，能夠保持必要角速度。為了把操作速度范圍有效地提高到基本速度以上，我們又增加了一條通量弱化回路，處理定向定子通量電流。

無傳感器控制

要想在矢量控制模式中運(yùn)行AC電機(jī)，重要的是同步應(yīng)用電壓的頻率和來自轉(zhuǎn)子中的永磁轉(zhuǎn)子通量位置。這樣就產(chǎn)生了無傳感器操作模式，其中，速度和位置算法取代了傳感器。AC PM電機(jī)的無傳感器控制方法是一種創(chuàng)新電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，提高了可靠性，維持了高性能水平，而無需額外成本。該系統(tǒng)更精確、更有效、體積更小、重量更輕、噪音更小，以更低的成本實(shí)現(xiàn)了更先進(jìn)的功能。無傳感器算法可以大體上分為兩大類，一類使用磁鐵轉(zhuǎn)子凸極性跟蹤轉(zhuǎn)子位置，另一類從計(jì)算出來的電機(jī)模型中估算轉(zhuǎn)子位置。

在電冰箱中，傳統(tǒng)控制打開和關(guān)閉壓縮機(jī)，把溫度維持在預(yù)定范圍內(nèi)。有了無傳感器PM電機(jī)控制，控制器可以在幾秒鐘內(nèi)把壓縮機(jī)加速到目標(biāo)速度，并可以在目標(biāo)速度的1%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)速度。壓縮機(jī)的平滑運(yùn)行減少了噪音，更低的運(yùn)行速度有助于最大限度地減少冷藏室的溫度循環(huán)，從而提高總體效率。

通常，洗衣機(jī)運(yùn)行在兩個(gè)基本循環(huán)中，即滾筒洗和甩干。在滾筒洗循環(huán)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)以高扭矩低速運(yùn)行。在甩干循環(huán)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)高速運(yùn)行。在新型號中，估計(jì)的速度波動(dòng)和計(jì)算出來的負(fù)載扭矩提供有關(guān)洗滌負(fù)載分布的寶貴信息。速度波動(dòng)用來在啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)循環(huán)前，估計(jì)負(fù)載不平衡。可變速度電機(jī)可以用于調(diào)節(jié)滾筒旋轉(zhuǎn)速度和方向，重新分布衣物，糾正不平衡。

飛思卡爾的56800E內(nèi)核就是這種特殊應(yīng)用的理想解決方案。它能夠處理所有電機(jī)控制功能，包括空間矢量調(diào)制、矢量控制、電流、通量和速度回路控制。通過消除我們在早期設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的很多離散組件，數(shù)字控制提高了驅(qū)動(dòng)可靠性，促進(jìn)了高級算法，實(shí)現(xiàn)了最佳電機(jī)性能。

結(jié)論

人們普遍認(rèn)為，家用電器需求驅(qū)動(dòng)著技術(shù)的進(jìn)步，反過來又推動(dòng)著下一代產(chǎn)品的生產(chǎn)。在響應(yīng)這一趨勢的過程中，具有無傳感器功能的矢量控制是用于該目的的一種方法，因?yàn)樗辉傩枰獧C(jī)械傳感器，是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。如此嚴(yán)苛的控制方法可以采用基于飛思卡爾56800E內(nèi)核的低成本DSC實(shí)現(xiàn)，56800E內(nèi)核集MCU和DSP的功能于一身。MC56F80xx設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)注重電機(jī)控制應(yīng)用，現(xiàn)在正被集成到眾多家用電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，特別是在各國對功耗的規(guī)定都非常嚴(yán)格的情況下