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改进电机调速控制应对环保设计挑战
Aengus Murray

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能效已成为衡量家用电器性能的一个重要参数，例如冰箱和洗衣机，以及建筑使用的电气系统如空调压缩机等。然而，传统上使用的感应电动机通常运行于由电网频率决定的某个固定速度上，比如说，为了保持一定的温度，只是简单的在开与关两个状态之间切换。这就导致了效率低下，并且往往选择的电机比实现同样目的所必需的电机体积更大、更重，也更昂贵。然而，对电机进行变速控制，可在正常运转的条件下选择效率最高的运行速度。由于仅仅使用速度控制就可提高效率30%以上，设计工程师已热衷于在下一代家电产品中使用变速电机驱动。速度控制的挑战对于感应电动机的高性能变频控制是有一定技术难度的。虽然已有多种开环和闭环的控制技术，但对转矩进行高动态控制仍是非常困难的，因为转子电流无法测量，而且转子电路时间常数很大且不固定。与此相对的是，一旦知道了转子位置，对同步电动机的转矩控制则变得相当直接和容易实现。永磁同步电机(PMSM)的另一个优点是，与同体积的感应电机相比，前者可获得一个很高的连续转矩。这是因为永磁电机不需要转子电流，具有比感应电机效率更高的内在优点。但是，为测量转子的位置角，设计者需要增加一个昂贵的旋变或者霍尔传感器以测量轴的位置。过去，这些因素使变速驱动永磁同步电机的使用局限于高端的工业设备。直到最近，“无位置传感器”控制使得变速驱动更加经济因而可以应用在家用电器当中。最早的无位置传感器控制对电机绕组使用六步换向程序，通过检测开环绕组的反电动势估算转子位置。这种方法可以实现鲁棒的速度控制，但不能保证平滑的转矩。首先，采用六步换向方法时，要想获得平稳的转矩，电机应具有梯形的反电动势，而不是通常的正弦波。其次，更大的问题在于，当电流在换向过程中切换入相隔的绕组时，会引入转矩扰动。这个问题在高速时尤为严重，因为电机的反电动势会延缓流出绕组的电流下降速度，并抑制流入绕组的电流快速升高。转矩扰动可在风扇、洗衣机、水泵及空调设备中产生明显的噪声，因为电机转矩中的高次谐波容易引起系统的机械共振。尽管如此，这种控制器由于实现简单，仍可在不需要平滑转矩控制的场合使用。改进的无位置传感器算法另外一种无位置传感器控制方案在近些年较受欢迎，这缘于高性能的DSP和基于RISC控制器的持续降价，使得更加复杂的控制算法得以实现。采用“电流型无传感器”控制器使得永磁同步电机可由正弦电流和电压驱动，并基于测得的电机电流估算转子位置。六步换向控制器方法带来的音频噪声得到消除，同时该算法有效获得了平稳转矩。我们以International Rectifier (IR，国际整流器公司）采用的转子位置估算算法为例，该算法基于图1中所示的永磁同步电机的简易模型。这个算法应用了电机绕组反电动势为转子角度的正弦函数这个原理。图1所示模型中，首先测量定子电压下流入定子线圈的电流，并计算出反电动势。为提取出转子角度，将这些反电动势项积分计算转子磁链，这是一个独立于转速的函数，进而精确地估算出转子的角度。（图片）图1：永磁同步电机（PMSM）等效电路采用DSP或RISC实现这种算法的缺点，是需要进行冗长且容易出错的编程，这样就使驱动设计小组增加了软件开发任务，导致项目复杂化，需要额外且代价高昂的工程技巧和经验。算法的硬件移植为减少编程的时间和成本，IR已经将它的算法硬件化，作为专用芯片组的一部分。该芯片组分别集成了一个可工作的完整PMSM调速驱动器所需的周边控制和功率半导体器件，还包含了三相逆变器驱动IC和高电压电流传感IC，以提供数字控制IC和功率部分之间的必要链接。由于取消了软件代码的工作量，这种基于硬件的方案可使变速驱动器占领中低端家电市场。可定制的硬件平台 IR的角度估算技术是控制算法的关键，但要实现图2框图中所示的控制系统还需要很多其他技术。该控制器包括一个提供参考转矩的外部速度环和一个控制绕组电压的内部电流环。这个定子电流环使用磁场定向控制技术（FOC）在旋转坐标系中实现。（图片）一个随着转子角度变化而变化的旋转矢量可将定子电流变换为两个正交的直流分量ID 和IQ。IQ电流是正交于转子磁通的分量，也是产生转矩的电流分量。IQ的参考输入值取自速度环的输出。ID电流方向平行于转子磁通，是加强或抑止转子磁通的电流。在大多数速度范围内通常将ID设定为零，但是，如果需要扩展到恒功率速度范围，则可以调整ID以削弱转子磁通（弱磁运行）。 IR的运动控制引擎（ＭＣＥ），如图３，将这些算法集成进一个单片IC。片上集成了一个交流电机控制库以及其他一些通用的组件，包括模拟量输入和空间矢量ＰＷＭ控制，便于进行快速和直接的配置。这样，控制系统的开发人员可使用图形化的工具从库中拉出合适的组件进行系统设计，通过图形编译器将系统设计转化为运动控制引擎的一系列指令，以正确的顺序联结各个硬件宏模块，以实现某个控制算法。（图片）总结取消恒速感应电机而使用更小、更便宜的永磁同步电机，以更加有效、更加有利于环境的方式实现变速，这个前景使工程师们看到了巨大的机会。无位置传感器的控制算法提供了一个低硬件成本的上乘的解决方案，但该算法一般要在DSP或RISC上面运行，对开发者而言需要掌握相当全面的软件设计技术。一种基于专用的无位置传感器控制器IC并集成了运动控制引擎（MCE）的新设计平台可满足设计者的需求。MCE包含了实现闭环无位置传感器正弦控制所需的所有控制元件，这使得设计师可以采用最先进的技术，来满足法规和消费者对下一代风扇、水泵、空调和家用电器提出的更高效率的要求。 Aengus Murray是International Rectifier公司的技术市场总监。原载《DESIGN NEWS China》 4/22/2006


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