無傳感器控制使能高效永磁電機的低成本控制
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在諸如電風(fēng)扇、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電冰箱等家用電器里面，電動馬達是主要的電力消耗者。以電冰箱為例，雖然這些家用電器的平均電力消耗是相當(dāng)?shù)偷?，但是它們連續(xù)不斷的運行，這就是說日常的電力消耗在總體能耗里邊占了很大的份額。諸如電風(fēng)扇、水泵等小型家用電器通常采用單相屏蔽極式電機或者永久電容感應(yīng)式電機，這類電機的效率只能達到25％。如果綜合考慮電機效率造成的能量損失和發(fā)電以及輸電過程的能量損失，其結(jié)果是非常驚人的。一臺效率為25％的小風(fēng)扇電機需要消耗120瓦的電能，其中只有30瓦的能量變成了扇葉轉(zhuǎn)動的機械能輸出。如果我們現(xiàn)在假設(shè)電力傳送過程當(dāng)中的能量損失為7％，一座現(xiàn)代化火力發(fā)電廠的發(fā)電效率為35％，那么熱能消耗為370焦耳/秒。這就是說浪費在火力發(fā)電廠、電力輸送電纜和電機上的能量比轉(zhuǎn)動風(fēng)扇葉片的能量多11倍。用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電冰箱壓縮機等家用電器的大型單相感應(yīng)電機的效率會略高一點，通常能夠超過65％。這樣就能夠把能量損失系數(shù)降低到4以下。但是壓縮機在通常的運行循環(huán)模式和停止模式當(dāng)中的負(fù)荷是非常低的，因為只有在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電冰箱等電器被開動的時候才會需要比較大的制冷功率。大量的能量損失發(fā)生在壓縮機的啟動階段，這部分能量損失在一臺以固定速度運行的壓縮機所消耗的總能量當(dāng)中占了很大一部分。有關(guān)研究表明：使用一臺變速壓縮機能夠把平均能量消耗降低40％。這種提高是完全有可能實現(xiàn)的，因為壓縮機的運行速度較好的與制冷的要求相匹配，這樣壓縮機就可以處于負(fù)荷較高的狀態(tài)下，使其運行于高效率操作點的時間較長。
圖1：無傳感器PM控制算法
最近在電子技術(shù)硬件和控制技術(shù)方面取得的進展使得為IPM電機制造具有更高效費比的驅(qū)動設(shè)備成為可能。為了以正弦電流驅(qū)動IPM電機，最大程度的提高驅(qū)動效率、降低噪聲，我們需要一種場定向控制算法（FOC）。無傳感器算法必須能夠僅僅根據(jù)電機的電流測量就能檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。最后，這種控制硬件還必須在沒有昂貴的隔離回路的情況下監(jiān)測電機繞組的電流。下一節(jié)將會介紹這種無傳感器控制算法和在永磁體交流電機上進行正弦控制的電流傳感器硬件。這種算法使得壓縮機可以使用高效率的IPM電機，并且使采用表面安裝磁體電機或IPM電機的風(fēng)扇可以取消霍爾傳感器。
無傳感器控制算法
圖1當(dāng)中的控制算法包含了在無傳感器的情況下用正弦電流驅(qū)動一臺IPM電機或者表面安裝磁體電機所需要的所有控制功能。這種算法的一個關(guān)鍵要素是一種使用了矢量旋轉(zhuǎn)模塊(e-j)的場定向控制結(jié)構(gòu)，這種場定向控制結(jié)構(gòu)同時還可以將交流的電機繞組電流轉(zhuǎn)換成2路直流電流分量，一路用來產(chǎn)生扭矩，另一路用來控制磁通量。輸入給旋轉(zhuǎn)模塊的電流最初采用Clarke變換模塊從3相變換為等值的2相電流。轉(zhuǎn)子磁通量角使電流分割成D分量，D分量與磁通量結(jié)合到一起。Q分量用來產(chǎn)生扭矩。2個電流控制PI補償器的整定與電機繞組的RL時間常數(shù)相互匹配并且無需隨著交流繞組電流頻率的改變而改變。前向矢量旋轉(zhuǎn)模塊(ej)將PI補償器的直流電壓輸出轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子頻率相符的交流電壓?？臻g矢量PWM單元根據(jù)計算出來的交流電壓要求計算功率轉(zhuǎn)換二極管的切換時間?？臻g矢量調(diào)制自動加入3階諧波來產(chǎn)生正弦電壓調(diào)制，最大限度的利用直流總線上的電壓。其中還包括了一種2相調(diào)制功能，可以盡量降低功率轉(zhuǎn)換器的切換損失。
最大限度的提高每安培電流的電機扭矩輸出，使電機的效率最高。對于表面安裝磁體電機來說，就是控制器將電流（ID）的磁通量分量保持在0水平來使電機效率最高。但是由于IPM電機特別的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一臺IPM電機會產(chǎn)生一個被稱為磁阻扭矩的附加扭矩分量。在驅(qū)動一臺IPM電機的時候，IPM控制模塊會將ID電流從0開始增加，這是IQ目標(biāo)的一個功能，目的是讓電機運行在效率最高的工作點。在任何的情況下，速度回路補償器都會計算將速度維持在目標(biāo)值所需要的扭矩電流。在有些應(yīng)用當(dāng)中，例如洗衣機，需要比較寬的速度范圍。在這種情況下場電流減弱控制功能會加入負(fù)磁通量電流（ID）來降低電機的有效反電動勢，并且在反電動勢達到直流總線電壓限制之前允許電機運行在比較高的轉(zhuǎn)速下。
目前有許多工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)使用這里介紹的算法結(jié)構(gòu)，但是這種算法結(jié)構(gòu)要求電機具備解碼器或是編碼器反饋。這種算法結(jié)構(gòu)具有一個獨特的特點，就是它能夠通過電機繞組電流來推算出轉(zhuǎn)子的位置和速度而無需物理傳感器。這種無傳感器算法通過下面等式表示的電機回路模型推導(dǎo)出電機轉(zhuǎn)子的磁通量狀況?？刂破黩?qū)動定子的電壓，同時電流重建回路檢測電機的總電流。對等式的各項進行一個簡單的重新排列和數(shù)學(xué)合并就能夠產(chǎn)生sine和cosine項。一個相位鎖定的回路不斷跟蹤這個算法，推導(dǎo)出角度和速度，就類似于用在IC數(shù)字變換解碼器上的類型。
這種算法的第二個特點是相電流變送單元根據(jù)換流器直流鏈接的電流量來推算出電機的相電流。參見圖2的說明，對于任何一個運行中的換流器單元來說，總有一個繞組被連接到一個總線導(dǎo)軌，同時有另外2個繞組被連接到其它總線導(dǎo)軌。這就是說每一個PWM循環(huán)都會有2個電機繞組的電流值可用。相電流變送單元包括一個根據(jù)SVPWM輸入運行的采樣計時發(fā)生器、一個采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和計算三相電流的數(shù)學(xué)運算單元。這種方式的明顯優(yōu)點是可以不需要隔離的電流傳感器以及能夠讓無傳感器算法在家用電器上的應(yīng)用具有更高的效/費比。
無傳感器控制算法是一套應(yīng)用于家用電器電機控制的一體化設(shè)計平臺的一個組成部分。一個混合的信號控制IC能夠以硬件方式執(zhí)行這種算法，不需要進行任何復(fù)雜冗長而且很容易出錯的軟件開發(fā)。這個IC集成了電流測量所需的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和緩沖放大器。你可以在圖1中看到包括故障檢測功能和開車順序的附加硬件功能。最后，這個控制IC還集成了一個自帶內(nèi)存的8位微處理器內(nèi)核用來執(zhí)行家用電器工程師規(guī)定的其它應(yīng)用功能。
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