|
作者：Freescale公司 Peter Balazovic 日期：2009-9-7 在家用電氣市場(chǎng)領(lǐng)域，全球范圍的節能和節水呼聲非常高。政府法令和建議條款正在重新定義一個(gè)節能和合理高效使用能源的時(shí)代。為了滿(mǎn)足政府的政策規定，以及降低系統成本，應用設計工程師正在使用高性能的數字信號控制器（DSC）。 基于數字信號控制技術(shù)的控制方案使用一個(gè)具有MCU功能的數字信號處理器，用于控制電動(dòng)機的供電，這種方案能夠非常容易的在單芯片上實(shí)現。此外，靈活的外圍設備也可以令設計工程師非常方便地實(shí)現各種各樣的功能。使用可調速電動(dòng)機驅動(dòng)器讓設計工程師有機會(huì )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(shí)又能提高能效。 絕大多數家用電氣中電動(dòng)機所用的電子驅動(dòng)器的控制是非常簡(jiǎn)單的，要么使用固定恒速電動(dòng)機，要么就直接由交流電源驅動(dòng)，而不需要額外的控制電路。交流單相感應電動(dòng)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(dòng)機驅動(dòng)器通過(guò)保持精確的轉速控制，可以滿(mǎn)足能效需求。 交流電動(dòng)機的選擇 可以選擇的電動(dòng)機類(lèi)型有交流單相感應電動(dòng)機、永磁電動(dòng)機和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機。為了對交流單相感應電動(dòng)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(dòng)機速度驅動(dòng)的效率可以通過(guò)使用向量控制得到改善，但需要通過(guò)速度或位置傳感器來(lái)精確測量速度，其結果就是成本會(huì )提高，而且需要很多配線(xiàn)。 永磁電動(dòng)機不使用定子繞組實(shí)現磁場(chǎng)。使用永磁體代替電磁激勵有很多優(yōu)點(diǎn)。最常見(jiàn)的就是不會(huì )有激勵損耗，這表明永磁電動(dòng)機比其他電動(dòng)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(dòng)機的效率只有大約70%。永磁激勵的同步電動(dòng)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(dòng)機的驅動(dòng) 如果電動(dòng)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(dòng)的控制器通過(guò)調整供給電動(dòng)機的交流電頻率來(lái)設置速度。 如圖1所示，完整的調速驅動(dòng)系統包括EMI濾波器、輸入整流器、直流供電、DSC（數字信號控制器）、信號調理電路，供電變極器，以及門(mén)控驅動(dòng)器等。 
圖1 使用供電變極器設置驅動(dòng)頻率的調速控制 電機控制策略 在交流單相感應電動(dòng)機的調速驅動(dòng)中，開(kāi)環(huán)標量控制是最普遍的控制策略。圖2描述了電機驅動(dòng)頻率的標量控制，電壓的幅度與頻率成比例。這種技術(shù)需要能夠對功率進(jìn)行適當的計算，并能夠被8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(jiǎn)單方法 這種簡(jiǎn)化方法的最大優(yōu)點(diǎn)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(guān)的，然而，這也是一個(gè)最大的缺點(diǎn)，也就是它會(huì )降低動(dòng)態(tài)性能。由于這個(gè)原因，標量控制的電動(dòng)機在負載瞬時(shí)變化時(shí)，就會(huì )輸出遠遠超過(guò)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(chǎng)需要更高動(dòng)態(tài)性能和工作速度范圍的電動(dòng)機。交流供電機械中向量控制（面向現場(chǎng)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(diǎn)。
圖3 使用向量控制的電動(dòng)機驅動(dòng)能夠提供最高的動(dòng)態(tài)性能和速度可調范圍 內部電流回路計算了需要產(chǎn)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(dòng)機的電流波形是正弦曲線(xiàn)，這可以產(chǎn)生平穩的扭矩，而且會(huì )減小機械震動(dòng)和噪聲。外部速度回路調整供電的定子數量，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(wú)傳感器控制 為了用向量控制模式控制交流電動(dòng)機，可以使供電的頻率和轉子磁通的位置同步。無(wú)傳感器工作的本質(zhì)是用計算速度和位置的方法替代傳感器。無(wú)傳感器控制改善了電動(dòng)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(jìn)功能。 無(wú)傳感器算法廣義上可以分為兩大類(lèi)，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(guò)計算電動(dòng)機的工作模式來(lái)估計出轉子的位置。 在電冰箱中，常規控制只是簡(jiǎn)單地開(kāi)和關(guān)壓縮機來(lái)把溫度維持在預先設定的范圍。使用無(wú)傳感器永磁電動(dòng)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。壓縮機的平穩運行降低了人耳可聽(tīng)見(jiàn)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(dòng)機的工作主要有兩個(gè)基本周期，即洗衣階段和甩干階段。在洗衣階段，電動(dòng)機工作在低速狀態(tài)，具有很高的扭矩。在甩干階段，電動(dòng)機在短時(shí)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(guān)于洗衣過(guò)程中負載分配的有價(jià)值信息。在啟動(dòng)甩干階段之前，速度起伏用于估計負載平衡。調速電動(dòng)機可以用于控制洗衣過(guò)程的速度浴盆曲線(xiàn)，并且幫助校正平衡。 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(jìn)行數字化。A/D轉換器與PWM的重加載標志同步，但采樣時(shí)間根據實(shí)際PWM碼型的功能不同而不同。這樣的配置允許在一個(gè)PWM周期內，對直接控制總線(xiàn)電流和電壓模擬值進(jìn)行多次轉換。 PWM模塊可以在一個(gè)中心對齊的配置中產(chǎn)生非對稱(chēng)的PWM占空周期，以用于重建每個(gè)關(guān)鍵開(kāi)關(guān)碼型中的三相電流。在數字信號控制器中，一個(gè)靈活的四路定時(shí)器模塊為每個(gè)時(shí)間事件提供定時(shí)。在一般的應用中，使用一個(gè)通道用于把PWM和A/D轉換器同步，另一個(gè)通道用于系統速度控制回路（周期為 1ms）。數字信號控制器可以通過(guò)一個(gè)隔離鏈路與前面板主控制單元通信。 |
