【導(dǎo)讀】事實(shí)上，采用最新的集成運(yùn)轉(zhuǎn)控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)者甚至能夠?yàn)樽约旱脑O(shè)計(jì)選擇較小和較低成本的電機(jī)，而不會(huì)犧牲最終的性能。
洗衣機(jī)和冰箱等家電制造商都面臨著提高產(chǎn)品性能與功能的壓力，同時(shí)還要降低整體能耗。設(shè)計(jì)者要滿足這些似乎相互矛盾的目標(biāo)，同時(shí)不會(huì)招致明顯的成本損失，關(guān)鍵是使用針對(duì)控制家電中中等規(guī)模電機(jī)的新技術(shù)。事實(shí)上，采用最新的集成運(yùn)轉(zhuǎn)控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)者甚至能夠?yàn)樽约旱脑O(shè)計(jì)選擇較小和較低成本的電機(jī)，而不會(huì)犧牲最終的性能。
圖1PM交流電機(jī)面向現(xiàn)場(chǎng)無傳感器控制
家電電機(jī)控制
交流感應(yīng)電機(jī)是多數(shù)家電應(yīng)用中電機(jī)的首選目標(biāo)。這主要是由于它們可以直接用交流電運(yùn)行，而無需增加控制電路或姿態(tài)反饋傳感器。例如，冰箱中的傳統(tǒng)家電控制器是一個(gè)簡(jiǎn)單電路，它定期執(zhí)行壓縮機(jī)的開機(jī)和停機(jī)，以保持目標(biāo)區(qū)域的溫度。
當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)就連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦溫度到達(dá)了目標(biāo)區(qū)，壓縮機(jī)便以低占空比運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)系統(tǒng)以低的開/關(guān)占空比運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮機(jī)在大部分時(shí)間里都偏離最高效的工作點(diǎn)。改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來匹配制冷負(fù)荷，可以減少 40% 的能耗，因?yàn)橹评湎到y(tǒng)能夠以更高占空比運(yùn)行。
采用三相PM（永磁）電機(jī)，并將電機(jī)控制在變速運(yùn)行狀態(tài)，就能進(jìn)一步改進(jìn)家電的效率。這類電機(jī)效率通常可高達(dá) 90%，與之相比，傳統(tǒng)的單相感應(yīng)電機(jī)的效率為 70%。同時(shí)，這類電機(jī)還可以簡(jiǎn)化速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。
另外，由于有更高的效率，就可以采用較小的電機(jī)，因此降低了單位成本，更容易做機(jī)械設(shè)計(jì)。顯然，從這些電機(jī)獲取最大利益的關(guān)鍵就有賴于驅(qū)動(dòng)方法的選擇。要準(zhǔn)確而高效地驅(qū)動(dòng)冰箱或洗衣機(jī)等家電中的變速電機(jī)，重要的是能夠獲得轉(zhuǎn)子姿態(tài)的信息。最顯而易見的方式是采用附加的檢測(cè)元件。但是，這會(huì)同時(shí)影響可靠性和成本，實(shí)際上是不現(xiàn)實(shí)的方法。因此，設(shè)計(jì)者正在尋找無傳感器技術(shù)。
無傳感器的變速電機(jī)控制
由于電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在無需姿態(tài)傳感器也能實(shí)現(xiàn)高效率的三相PM電機(jī)交流傳動(dòng)。圖1是這類系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。圖中，右側(cè)是三相電源逆變器，它控制著從直流電源進(jìn)入PM電機(jī)繞組的電流，同時(shí)空間矢量PWM單元是功率晶體管計(jì)算時(shí)序信號(hào)，然后由功率晶體管為電機(jī)提供三相正弦波電壓。低電壓控制信號(hào)與連接到高電壓直流總線功率開關(guān)之間的接口是一個(gè) HVIC（高壓柵極驅(qū)動(dòng) IC）。
這些 IC 比分立的柵極驅(qū)動(dòng)電路或普通光電耦合、脈沖變壓器方案更強(qiáng)健和精致。最新的 HVIC 技術(shù)采用先進(jìn)的混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝，結(jié)合了低電壓輸入能力與高電壓驅(qū)動(dòng)輸出和大量板載功能。
圖2MCE與同時(shí)集成的8051微控制器芯片上帶有A/D
如圖 1 所示，控制電路的關(guān)鍵是需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法。這種算法通常用于工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)中，它計(jì)算提供所需速度和轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電壓與電流，有最高的電機(jī)效率。
FOC 采用向量變換，將交流電機(jī)繞組的電流分解成兩個(gè)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的“準(zhǔn)直流”（quasi DC）電流分量。這種變換包括作為轉(zhuǎn)子磁鏈角函數(shù)的一個(gè)向量旋轉(zhuǎn)（e-jq），以取得與轉(zhuǎn)子磁鏈相配合的一個(gè)電流分量（ID）；還有一個(gè)產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩的正交分量（IQ）。
電流反饋控制回路計(jì)算出兩個(gè)“準(zhǔn)直流”的電壓分量VD和VQ，用于保持目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和磁鏈。第二個(gè)向量旋轉(zhuǎn)為脈沖寬度調(diào)制器計(jì)算出交流電壓基準(zhǔn)。FOC算法的優(yōu)勢(shì)在于，電機(jī)轉(zhuǎn)矩是IQ基準(zhǔn)的一個(gè)線性函數(shù)，它產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單的線性速度控制規(guī)則。在PM電機(jī)情況下，控制器將磁鏈電流分量（ID）保持為零，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)效率的最大化。
采用這種算法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，控制器能夠通過測(cè)量逆變器直流鏈接（只用一個(gè)直流鏈接分流器為電機(jī)提供電流）中的電流，計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置。
估計(jì)轉(zhuǎn)子位置
使用轉(zhuǎn)子角評(píng)估器電路，通過下面的電機(jī)繞組電路方程，支持無傳感器的轉(zhuǎn)子姿態(tài)反饋。三相至兩相的變換簡(jiǎn)化了計(jì)算，并得到兩個(gè)關(guān)系，分別是轉(zhuǎn)子磁鏈角的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。
解出這些方程即得到電機(jī)電流與電壓的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。反正切計(jì)算可以確定轉(zhuǎn)子角，但基于以下誤差函數(shù)的鎖相環(huán)方法更為強(qiáng)大，它能產(chǎn)生一個(gè)副產(chǎn)品，即過濾的速度測(cè)量法。
控制器通過對(duì)直流鏈并聯(lián)電阻上的采樣電流以及功率逆變器開關(guān)的時(shí)序作同步，重建電機(jī)的相電流。如前所述，上述方法的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)反饋信號(hào)取自單個(gè)直流并聯(lián)電阻，因此無需使用姿態(tài)傳感器或隔離式電流傳感器。于是就獲得了對(duì)家電PM交流電機(jī)具有成本效益的控制方法，大大提高了效率和性能。
實(shí)現(xiàn)無傳感器控制
雖然上述方法為電機(jī)控制提供了一種可靠、準(zhǔn)確的方法，但它們也給設(shè)計(jì)工程師帶來了一個(gè)重大挑戰(zhàn)，尤其是在建立軟件編碼時(shí)。基于這個(gè)原因，國(guó)際整流器公司開發(fā)了iMOTION平臺(tái)概念，它包含針對(duì)各種應(yīng)用領(lǐng)域的集成電機(jī)控制系統(tǒng)，如家電。
iMOTION平臺(tái)概念的核心是專用的運(yùn)轉(zhuǎn)控制IC。這些 IC在單只芯片內(nèi)包含了兩個(gè)計(jì)算引擎，如圖 2 所示。第一個(gè)是運(yùn)轉(zhuǎn)控制引擎（MCE），它包含了PM電機(jī)無傳感器控制所需的全部代碼；第二個(gè)是一只8位高速微控制器。MCE包括一系列硬件實(shí)現(xiàn)的控制元件，設(shè)計(jì)者可以作適當(dāng)配置，建立針對(duì)特定應(yīng)用的運(yùn)轉(zhuǎn)控制算法。配置工作通過一個(gè)簡(jiǎn)單易用的圖形化編譯器完成。
MCE中提供了FOC算法的關(guān)鍵部分，作為完整的預(yù)定控制塊。IC還包括一個(gè)ADC以及相應(yīng)的算法，完全支持單一并聯(lián)電流重建。有了MCE處理運(yùn)轉(zhuǎn)控制，8051微控制器就能自由地運(yùn)行家電應(yīng)用軟件，包括排序、用戶界面、主機(jī)通信以及較高層的控制任務(wù)。MCE和8051MCU共同訪問雙口RAM，允許共享目標(biāo)速度等設(shè)置點(diǎn)，并可在軟件控制下作調(diào)整。
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