洗衣機和冰箱等家電制造商都面臨著(zhù)提高產(chǎn)品性能與功能的壓力，同時(shí)還要降低整體能耗。設計者要滿(mǎn)足這些似乎相互矛盾的目標，同時(shí)不會(huì )招致明顯的成本損失，關(guān)鍵是使用針對控制家電中中等規模電機的新技術(shù)。事實(shí)上，采用最新的集成運轉控制平臺，設計者甚至能夠為自己的設計選擇較小和較低成本的電機，而不會(huì )犧牲最終的性能。


家電電機控制

交流感應電機是多數家電應用中電機的首選目標。這主要是由于它們可以直接用交流電運行，而無(wú)需增加控制電路或姿態(tài)反饋傳感器。例如，冰箱中的傳統家電控制器是一個(gè)簡(jiǎn)單電路，它定期執行壓縮機的開(kāi)機和停機，以保持目標區域的溫度。

當系統開(kāi)始運行時(shí)，壓縮機就連續運轉。一旦溫度到達了目標區，壓縮機便以低占空比運轉。當系統以低的開(kāi)/關(guān)占空比運轉時(shí)，壓縮機在大部分時(shí)間里都偏離最高效的工作點(diǎn)。改變壓縮機的轉速來(lái)匹配制冷負荷，可以減少 40% 的能耗，因為制冷系統能夠以更高占空比運行。

采用三相PM（永磁）電機，并將電機控制在變速運行狀態(tài)，就能進(jìn)一步改進(jìn)家電的效率。這類(lèi)電機效率通?？筛哌_ 90%，與之相比，傳統的單相感應電機的效率為 70%。同時(shí)，這類(lèi)電機還可以簡(jiǎn)化速度控制和轉矩控制。

另外，由于有更高的效率，就可以采用較小的電機，因此降低了單位成本，更容易做機械設計。顯然，從這些電機獲取最大利益的關(guān)鍵就有賴(lài)于驅動(dòng)方法的選擇。要準確而高效地驅動(dòng)冰箱或洗衣機等家電中的變速電機，重要的是能夠獲得轉子姿態(tài)的信息。最顯而易見(jiàn)的方式是采用附加的檢測元件。但是，這會(huì )同時(shí)影響可靠性和成本，實(shí)際上是不現實(shí)的方法。因此，設計者正在尋找無(wú)傳感器技術(shù)。

無(wú)傳感器的變速電機控制

由于電機控制技術(shù)的進(jìn)步，現在無(wú)需姿態(tài)傳感器也能實(shí)現高效率的三相PM電機交流傳動(dòng)。圖1是這類(lèi)系統的一個(gè)實(shí)例。圖中，右側是三相電源逆變器，它控制著(zhù)從直流電源進(jìn)入PM電機繞組的電流，同時(shí)空間矢量PWM單元是功率晶體管計算時(shí)序信號，然后由功率晶體管為電機提供三相正弦波電壓。低電壓控制信號與連接到高電壓直流總線(xiàn)功率開(kāi)關(guān)之間的接口是一個(gè) HVIC（高壓柵極驅動(dòng) IC）。

這些 IC 比分立的柵極驅動(dòng)電路或普通光電耦合、脈沖變壓器方案更強健和精致。最新的 HVIC 技術(shù)采用先進(jìn)的混合信號半導體工藝，結合了低電壓輸入能力與高電壓驅動(dòng)輸出和大量板載功能。


如圖 1 所示，控制電路的關(guān)鍵是需要實(shí)現一個(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)系統中，它計算提供所需速度和轉矩的電機電壓與電流，有最高的電機效率。

FOC 采用向量變換，將交流電機繞組的電流分解成兩個(gè)用于驅動(dòng)電機磁鏈和轉矩的“準直流”（quasi DC）電流分量。這種變換包括作為轉子磁鏈角函數的一個(gè)向量旋轉（e-jq），以取得與轉子磁鏈相配合的一個(gè)電流分量（ID）；還有一個(gè)產(chǎn)生電機轉矩的正交分量（IQ）。

電流反饋控制回路計算出兩個(gè)“準直流”的電壓分量VD和VQ，用于保持目標轉矩和磁鏈。第二個(gè)向量旋轉為脈沖寬度調制器計算出交流電壓基準。FOC算法的優(yōu)勢在于，電機轉矩是IQ基準的一個(gè)線(xiàn)性函數，它產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性速度控制規則。在PM電機情況下，控制器將磁鏈電流分量（ID）保持為零，從而實(shí)現運動(dòng)系統效率的最大化。

采用這種算法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，控制器能夠通過(guò)測量逆變器直流鏈接（只用一個(gè)直流鏈接分流器為電機提供電流）中的電流，計算出轉子的位置。

估計轉子位置

使用轉子角評估器電路，通過(guò)下面的電機繞組電路方程，支持無(wú)傳感器的轉子姿態(tài)反饋。三相至兩相的變換簡(jiǎn)化了計算，并得到兩個(gè)關(guān)系，分別是轉子磁鏈角的正弦函數和余弦函數。



解出這些方程即得到電機電流與電壓的正弦函數和余弦函數。反正切計算可以確定轉子角，但基于以下誤差函數的鎖相環(huán)方法更為強大，它能產(chǎn)生一個(gè)副產(chǎn)品，即過(guò)濾的速度測量法。



控制器通過(guò)對直流鏈并聯(lián)電阻上的采樣電流以及功率逆變器開(kāi)關(guān)的時(shí)序作同步，重建電機的相電流。如前所述，上述方法的一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是電機反饋信號取自單個(gè)直流并聯(lián)電阻，因此無(wú)需使用姿態(tài)傳感器或隔離式電流傳感器。于是就獲得了對家電PM交流電機具有成本效益的控制方法，大大提高了效率和性能。
實(shí)現無(wú)傳感器控制

雖然上述方法為電機控制提供了一種可靠、準確的方法，但它們也給設計工程師帶來(lái)了一個(gè)重大挑戰，尤其是在建立軟件編碼時(shí)?；谶@個(gè)原因，國際整流器公司開(kāi)發(fā)了iMOTION平臺概念，它包含針對各種應用領(lǐng)域的集成電機控制系統，如家電。

iMOTION平臺概念的核心是專(zhuān)用的運轉控制IC。這些 IC在單只芯片內包含了兩個(gè)計算引擎，如圖 2 所示。第一個(gè)是運轉控制引擎（MCE），它包含了PM電機無(wú)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)現的控制元件，設計者可以作適當配置，建立針對特定應用的運轉控制算法。配置工作通過(guò)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，作為完整的預定控制塊。IC還包括一個(gè)ADC以及相應的算法，完全支持單一并聯(lián)電流重建。有了MCE處理運轉控制，8051微控制器就能自由地運行家電應用軟件，包括排序、用戶(hù)界面、主機通信以及較高層的控制任務(wù)。MCE和8051MCU共同訪(fǎng)問(wèn)雙口RAM，允許共享目標速度等設置點(diǎn)，并可在軟件控制下作調整。

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