無傳感器交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)提高了運(yùn)行效率

在家用電氣市場(chǎng)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(gè)節(jié)能和合理高效使用能源的時(shí)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(jì)工程師正在使用高性能的數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）。

基于數(shù)字信號(hào)控制技術(shù)的控制方案使用一個(gè)具有MCU功能的數(shù)字信號(hào)處理器，用于控制電動(dòng)機(jī)的供電，這種方案能夠非常容易的在單芯片上實(shí)現(xiàn)。此外，靈活的外圍設(shè)備也可以令設(shè)計(jì)工程師非常方便地實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能。使用可調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器讓設(shè)計(jì)工程師有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)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(shí)又能提高能效。

絕大多數(shù)家用電氣中電動(dòng)機(jī)所用的電子驅(qū)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(jī)，要么就直接由交流電源驅(qū)動(dòng)，而不需要額外的控制電路。交流單相感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的選擇
可以選擇的電動(dòng)機(jī)類型有交流單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。為了對(duì)交流單相感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)機(jī)速度驅(qū)動(dòng)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(cè)量速度，其結(jié)果就是成本會(huì)提高，而且需要很多配線。

永磁電動(dòng)機(jī)不使用定子繞組實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)。使用永磁體代替電磁激勵(lì)有很多優(yōu)點(diǎn)。最常見的就是不會(huì)有激勵(lì)損耗，這表明永磁電動(dòng)機(jī)比其他電動(dòng)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(dòng)機(jī)的效率只有大約70%。永磁激勵(lì)的同步電動(dòng)機(jī)對(duì)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)
如果電動(dòng)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(dòng)的控制器通過調(diào)整供給電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)包括EMI濾波器、輸入整流器、直流供電、DSC（數(shù)字信號(hào)控制器）、信號(hào)調(diào)理電路，供電變極器，以及門控驅(qū)動(dòng)器等。

圖1 使用供電變極器設(shè)置驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的調(diào)速驅(qū)動(dòng)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(dòng)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?jì)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(zhuǎn)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(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(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(biāo)量控制的電動(dòng)機(jī)在負(fù)載瞬時(shí)變化時(shí)，就會(huì)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%。