無傳感器交流電動機(jī)控制技術(shù)提高了運行效率

在家用電氣市場領(lǐng)域，全球范圍的節(jié)能和節(jié)水呼聲非常高。政府法令和建議條款正在重新定義一個節(jié)能和合理高效使用能源的時代。為了滿足政府的政策規(guī)定，以及降低系統(tǒng)成本，應(yīng)用設(shè)計工程師正在使用高性能的數(shù)字信號控制器（DSC）。

基于數(shù)字信號控制技術(shù)的控制方案使用一個具有MCU功能的數(shù)字信號處理器，用于控制電動機(jī)的供電，這種方案能夠非常容易的在單芯片上實現(xiàn)。此外，靈活的外圍設(shè)備也可以令設(shè)計工程師非常方便地實現(xiàn)各種各樣的功能。使用可調(diào)速電動機(jī)驅(qū)動器讓設(shè)計工程師有機(jī)會設(shè)計更多非常復(fù)雜和精確的控制程序，并可以增強(qiáng)設(shè)備的性能，同時又能提高能效。

絕大多數(shù)家用電氣中電動機(jī)所用的電子驅(qū)動器的控制是非常簡單的，要么使用固定恒速電動機(jī)，要么就直接由交流電源驅(qū)動，而不需要額外的控制電路。交流單相感應(yīng)電動機(jī)（ACIM）由于成本低和可靠性高而得到非常廣泛的應(yīng)用，但它的效率低，而且調(diào)速困難。調(diào)速電動機(jī)驅(qū)動器通過保持精確的轉(zhuǎn)速控制，可以滿足能效需求。

交流電動機(jī)的選擇
可以選擇的電動機(jī)類型有交流單相感應(yīng)電動機(jī)、永磁電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)。為了對交流單相感應(yīng)電動機(jī)調(diào)速，就必須調(diào)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(yīng)電動機(jī)速度驅(qū)動的效率可以通過使用向量控制得到改善，但需要通過速度或位置傳感器來精確測量速度，其結(jié)果就是成本會提高，而且需要很多配線。

永磁電動機(jī)不使用定子繞組實現(xiàn)磁場。使用永磁體代替電磁激勵有很多優(yōu)點。最常見的就是不會有激勵損耗，這表明永磁電動機(jī)比其他電動機(jī)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(yīng)電動機(jī)的效率只有大約70%。永磁激勵的同步電動機(jī)對于家庭應(yīng)用是非常具有吸引力的，但它們卻不能直接由交流供電。

調(diào)速電動機(jī)的驅(qū)動
如果電動機(jī)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(diào)速驅(qū)動的控制器通過調(diào)整供給電動機(jī)的交流電頻率來設(shè)置速度。

如圖1所示，完整的調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)包括EMI濾波器、輸入整流器、直流供電、DSC（數(shù)字信號控制器）、信號調(diào)理電路，供電變極器，以及門控驅(qū)動器等。

圖1 使用供電變極器設(shè)置驅(qū)動頻率的調(diào)速控制

電機(jī)控制策略
在交流單相感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速驅(qū)動中，開環(huán)標(biāo)量控制是最普遍的控制策略。圖2描述了電機(jī)驅(qū)動頻率的標(biāo)量控制，電壓的幅度與頻率成比例。這種技術(shù)需要能夠?qū)β蔬M(jìn)行適當(dāng)?shù)挠嬎?，并能夠?位微控制器所處理。

圖2 向量控制提供了一種不需要旋轉(zhuǎn)傳感器的簡單方法

這種簡化方法的最大優(yōu)點就是不需要傳感器，而且控制算法也不需要角速度或電機(jī)位置信息。速度是與外部負(fù)載的扭矩相關(guān)的，然而，這也是一個最大的缺點，也就是它會降低動態(tài)性能。由于這個原因，標(biāo)量控制的電動機(jī)在負(fù)載瞬時變化時，就會輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過需要的扭矩。理論上，使用這種控制方法，能效可能低到50%。