詳解感應(yīng)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

　　用于風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、電梯和傳輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域的電動(dòng)機(jī)消耗著全球半數(shù)以上的電能，其中大多采用僅能簡(jiǎn)單開(kāi)啟和關(guān)斷電機(jī)的高能耗機(jī)電驅(qū)動(dòng)裝置。僅在家電應(yīng)用中以變頻解決方案替代這些低效率電機(jī)就可以削減多達(dá)60%的能源消耗。大部分家電采用通用直流電機(jī)或單相交流感應(yīng)電機(jī)，其速度控制方法相當(dāng)粗略，要么采用開(kāi)斷控制，要么依靠可控硅控制導(dǎo)通相角，其典型系統(tǒng)效率最高也就能達(dá)到50%左右。不過(guò)，隨著高效功率器件和先進(jìn)數(shù)字控制器的問(wèn)世，將更具效率的電機(jī)和控制技術(shù)應(yīng)用于最新家電已經(jīng)成為可能。

　　交流電機(jī)的選擇

　　任何交流電機(jī)的軸端輸出力矩都取決于定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間的耦合角。定子繞組電流的磁化力與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁通相互作用產(chǎn)生力矩，該力矩趨于將轉(zhuǎn)子磁通與定子磁場(chǎng)對(duì)齊，當(dāng)定子磁化電流矢量與轉(zhuǎn)子磁通矢量相位錯(cuò)開(kāi)90° 時(shí)，該力矩達(dá)到最大值。在直流電機(jī)中，永磁體固定不動(dòng)，由換相器和電刷的切換作用確保電樞磁場(chǎng)與定子磁極正確對(duì)齊。在交流電機(jī)中，氣隙磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，不過(guò)，只要定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率保持同步仍舊可以產(chǎn)生恒定力矩。

　　交流電機(jī)具有兩種主要類(lèi)型：同步電機(jī)和感應(yīng)式電機(jī)（也通常稱(chēng)作異步電機(jī)）。在同步交流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子繞組中的直流電流或者由永磁體產(chǎn)生，為產(chǎn)生恒定力矩，定子電流必須與轉(zhuǎn)子角度和旋轉(zhuǎn)頻率保持同步。在感應(yīng)式電機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由定子通過(guò)變壓器效應(yīng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電流形成，因此，定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的頻率可自行同步。感應(yīng)式電機(jī)靜止時(shí)，與轉(zhuǎn)子線圈耦合的磁通與定子磁場(chǎng)同頻，因而轉(zhuǎn)子電流也與定子電流同頻;感應(yīng)式電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁通的耦合頻率是定子頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的差值，即所謂的滑差頻率，如果電機(jī)以定子頻率旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子磁通恒定，無(wú)法感生轉(zhuǎn)子電流，因而力矩輸出為零。感應(yīng)式電機(jī)總是以略低于定子頻率的某種轉(zhuǎn)速運(yùn)行，如果負(fù)載增加，則轉(zhuǎn)速下降，滑差頻率升高，從而感生出更大的轉(zhuǎn)子電流以產(chǎn)生更高的力矩。

　　感應(yīng)式電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和家用電器等領(lǐng)域，尤其是在需要固定速度的場(chǎng)合。感應(yīng)式電機(jī)的重要優(yōu)勢(shì)在于可直接接入交流電網(wǎng)并啟動(dòng)運(yùn)行。反之，同步電機(jī)在接入交流電網(wǎng)之前，其開(kāi)環(huán)輸出電壓的幅值和頻率必須與電網(wǎng)充分匹配。大型同步電機(jī)正普遍應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域，而且同一公共電網(wǎng)中會(huì)接入多臺(tái)發(fā)電機(jī)。

　　在變頻應(yīng)用中，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇電機(jī)是非顯性的。感應(yīng)式電機(jī)的逆變驅(qū)動(dòng)廣泛采用開(kāi)環(huán)電壓/頻率的速度控制方案。如果采用速度傳感器，也有可能實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式電機(jī)的閉環(huán)控制，即通過(guò)改變電機(jī)的滑差頻率以控制電機(jī)產(chǎn)生的力矩。然而，由于轉(zhuǎn)子電流無(wú)法測(cè)量以及轉(zhuǎn)子電路時(shí)間常數(shù)很大，因而很難實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式電機(jī)的高動(dòng)態(tài)控制。 與之相反，只要知道轉(zhuǎn)子的角位置，就能夠十分方便地實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的高動(dòng)態(tài)力矩控制。

　　永磁同步電機(jī)（Permanent magnet synchronous machines ，簡(jiǎn)稱(chēng)PMSM）在工業(yè)伺服領(lǐng)域已經(jīng)使用了很多年。由于采用永磁轉(zhuǎn)子，因而這種電機(jī)十分高效，與相同尺寸的感應(yīng)式電機(jī)相比，能夠提供高得多的連續(xù)力矩。然而，需要以霍耳效應(yīng)傳感器或者旋轉(zhuǎn)變壓器等位置傳感器檢測(cè)其軸角位置，這種對(duì)轉(zhuǎn)子角位置傳感器的需求曾使其應(yīng)用僅僅局限于高端工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，但是近些年發(fā)展起來(lái)的“無(wú)傳感器”控制算法已使其在家電領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加。

　　壓縮機(jī)速度控制是永磁同步電機(jī)進(jìn)入家電領(lǐng)域的最初應(yīng)用之一。用于空調(diào)和冰箱的傳統(tǒng)壓縮機(jī)采用依靠電網(wǎng)頻率運(yùn)行于固定速度的感應(yīng)式電機(jī)，壓縮機(jī)尺寸必須滿足開(kāi)機(jī)后的最大負(fù)載狀況，但是在正常運(yùn)行中，要維持設(shè)定溫度，壓縮機(jī)就得以相當(dāng)?shù)偷恼伎毡妊h(huán)斷續(xù)工作。然而，采用壓縮機(jī)速度控制后，就可以為正常運(yùn)行選取最有效的工作速度。僅采用速度控制這一項(xiàng)就可以使功效提高30%以上，另外，由于永磁電機(jī)具備更高的效率，因而還能額外提高15%功效。如今，在關(guān)注能源成本的區(qū)域市場(chǎng)，如日本等，幾乎90%的空調(diào)和超過(guò)50%的家用冰箱都已采用壓縮機(jī)速度控制。

　　最初的無(wú)傳感器控制器采用六拍換相相序驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，并通過(guò)監(jiān)測(cè)開(kāi)路繞組的反電勢(shì)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。該方法可以提供高魯棒性的速度控制，但是無(wú)法提供平滑的電機(jī)力矩。其首要原因是：采用六拍換相相序時(shí)，要產(chǎn)生恒定力矩，電機(jī)就必須具備梯形反電勢(shì)波形，而不是通常的正弦波形;其次，更大的問(wèn)題在于換相過(guò)程中電流切換至后續(xù)繞組時(shí)所引入的力矩波動(dòng)。由于電機(jī)反電勢(shì)會(huì)加速退出相的電流衰減，并妨礙進(jìn)入相的電流上升，因而運(yùn)行速度越高，問(wèn)題也變得越糟。電機(jī)力矩波動(dòng)的高階諧波成分容易引起系統(tǒng)的機(jī)械共振，會(huì)在風(fēng)機(jī)、洗衣機(jī)、水泵和空調(diào)中產(chǎn)生音頻噪聲。然而，這種控制器十分簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，所以仍舊在不需要平滑力矩控制的場(chǎng)合中有所采用。

　　由于采用基于DSP和RISC的低成本控制器能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的控制算法，因而另一種可選的無(wú)傳感器控制方案近年來(lái)變得流行起來(lái)。“最新無(wú)傳感器”控制允許以正弦電壓和電流波形驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，并以電機(jī)電流的測(cè)量值為基礎(chǔ)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，該算法可以有效地提供恒定力矩，且沒(méi)有前面提到的六拍控制器所帶有的音頻噪聲問(wèn)題。另外，該算法可以由新型控制器硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，并且無(wú)需任何軟件編碼就能有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。專(zhuān)用集成設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心是最新的無(wú)傳感器控制器，以圍繞控制和功率電子元件的附加集成功能等難題為重點(diǎn)，伴隨兼容芯片設(shè)計(jì)，可以完成該平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，其重點(diǎn)包括可以為數(shù)字控制芯片和功率級(jí)之間提供必要連接的三相逆變器驅(qū)動(dòng)芯片和高壓電流傳感芯片。

　　無(wú)需軟件的最新無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制

　　最新無(wú)傳感器算法基于如圖1所示的永磁同步電機(jī)的簡(jiǎn)化模型，電機(jī)繞組反電勢(shì)波形為轉(zhuǎn)子角度的正弦函數(shù)，因而能夠用于測(cè)量轉(zhuǎn)子角度。通過(guò)測(cè)量外加定子電壓時(shí)流入定子線圈的電流可以計(jì)算反電勢(shì)。為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以利用 Clarke變換將三相電路變換為兩相等效模型，這樣就可以用轉(zhuǎn)子角度的正弦和余弦函數(shù)表示反電勢(shì)，其等效電路可以由以下方程描述：

　　為提取轉(zhuǎn)子角度，可以對(duì)反電勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行積分以計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通，該磁通與速度無(wú)關(guān)。最后，由于正弦和余弦磁通項(xiàng)的比例與磁通的幅值無(wú)關(guān)，因而可用來(lái)精確估計(jì)轉(zhuǎn)子的角度和速度。

　　角度估計(jì)是實(shí)現(xiàn)控制算法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)圖2中以結(jié)構(gòu)圖描述的控制系統(tǒng)仍需要許多其它功能。該控制器由一個(gè)速度外環(huán)和一個(gè)定子電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成，可以分別產(chǎn)生參考力矩或者控制施加于繞組的電壓。定子電流控制環(huán)由旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系中的磁場(chǎng)定向控制（Field Oriented Control，簡(jiǎn)稱(chēng) FOC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，矢量以轉(zhuǎn)子角度為函數(shù)旋轉(zhuǎn)，將定子電流變換為兩個(gè)準(zhǔn)直流分量ID和IQ。IQ電流分量與轉(zhuǎn)子磁通正交并產(chǎn)生力矩，其參考值來(lái)自速度環(huán)輸出。ID電流與轉(zhuǎn)子磁通對(duì)齊，可以增強(qiáng)或削弱轉(zhuǎn)子磁通。在多數(shù)速度范圍內(nèi)ID給定值為零，不過(guò)，如果需要擴(kuò)展到恒功率速度范圍，則可以通過(guò)ID設(shè)定實(shí)現(xiàn)弱磁控制，這對(duì)于洗衣機(jī)等需要很高旋轉(zhuǎn)速度的應(yīng)用非常有用。

　　無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制算法能夠以全新的控制器體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。圖2中所示控制系統(tǒng)的每個(gè)功能都可以用硬件宏模塊實(shí)現(xiàn)，而不是軟件。諸如比例積分控制、矢量旋轉(zhuǎn)和Clarke變換等功能可共用于所有交流電機(jī)控制系統(tǒng)。如圖3所示，運(yùn)動(dòng)控制引擎（MoTIon Control Engine）庫(kù)中包含交流電機(jī)控制模塊和其它通用模塊。獲取電機(jī)控制芯片，就能夠取得MCE庫(kù)，以及模擬輸入和空間矢量PWM控制等功能。開(kāi)發(fā)人員可以使用圖形工具將元件從MCE庫(kù)拖入自己的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后利用圖形編譯器將控制設(shè)計(jì)翻譯為MCE序列指令，以正確順序連接硬件宏模塊從而實(shí)現(xiàn)自己的控制系統(tǒng)。該方法可以不必在開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行軟件編碼，既能節(jié)省時(shí)間，又能減少錯(cuò)誤。

　　洗衣機(jī)電機(jī)的控制選擇

　　精確控制滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)于控制滾筒式洗衣機(jī)和波輪式洗衣機(jī)的洗滌動(dòng)作都十分重要。滾筒式洗衣機(jī)已經(jīng)在歐洲使用了很多年，而且目前在北美也變得越來(lái)越流行起來(lái)。波輪式洗衣機(jī)要求衣物完全浸沒(méi)于水中，而滾筒式洗衣機(jī)的摔打作用只需要在滾筒底部裝水，這樣可以顯著降低用水量，并從根本上節(jié)約加熱洗滌用水所需的能源。

　　在滾筒式洗衣機(jī)中，決定洗滌動(dòng)作的關(guān)鍵因素是滾筒轉(zhuǎn)速。滾筒的臨界轉(zhuǎn)速取決于滾筒半徑，高于該轉(zhuǎn)速時(shí)，衣物會(huì)貼在滾筒壁上;處于該轉(zhuǎn)速時(shí)，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力恰好與衣物的重力平衡;低于該轉(zhuǎn)速時(shí)，衣物將貼在滾筒壁上，直到沿半徑方向的重力分量超過(guò)離心力，一旦升至該角度，衣物就會(huì)墜落到滾筒底部。由于滾筒轉(zhuǎn)速可決定衣物的洗滌力度，因而可以為精細(xì)織物選擇輕柔的洗滌循環(huán)方式。在傳統(tǒng)的波輪式洗衣機(jī)中，由使用齒輪箱和離合器的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生攪動(dòng)作用，因而，引入轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)不僅能夠簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)，而且能夠控制洗滌循環(huán)?？刂葡礈靹?dòng)作的轉(zhuǎn)速和角度可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更好地處理洗滌作用，從而開(kāi)發(fā)出更節(jié)水的洗滌循環(huán)方式。

　　前面描述的許多電機(jī)轉(zhuǎn)速控制選項(xiàng)都可以應(yīng)用于洗衣機(jī)。歐洲的滾筒式洗衣機(jī)不使用交流電機(jī)，而是使用一種通用的“有刷”電機(jī)，而美國(guó)的洗衣機(jī)使用較大的滾筒尺寸，因而其電機(jī)的功率范圍需超出通用電機(jī)方案。

　　雖然目前仍在使用三相感應(yīng)式電機(jī)，但是近年來(lái)永磁同步電機(jī)正逐步成為首選解決方案。感應(yīng)式電機(jī)的磁場(chǎng)來(lái)自電流，且必須由定子勵(lì)磁電流分量產(chǎn)生，為產(chǎn)生力矩，電流需同時(shí)流經(jīng)定子和轉(zhuǎn)子繞組，其總銅損為永磁電機(jī)的兩倍以上。由于永磁同步電機(jī)比感應(yīng)式電機(jī)更高效，因而與相同功率等級(jí)的感應(yīng)式電機(jī)相比，鋼鐵和銅的使用量更少。在過(guò)去幾年中，全球銅價(jià)和鋼鐵價(jià)格幾乎翻了一倍，與此同時(shí)，磁性材料的成本卻在下降。如此看來(lái)，永磁不僅意味著高效，而且目前也意味著不再昂貴。許多家電制造商正在將永磁同步電機(jī)解決方案用于波輪式和滾筒式洗衣機(jī)，其中部分廠商正在開(kāi)始采用基于運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE）的控制芯片開(kāi)發(fā)其控制器。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　目前可以利用一種集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，簡(jiǎn)化先進(jìn)的節(jié)能家電電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)過(guò)程并降低成本。設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心是專(zhuān)用的無(wú)傳感器控制芯片以及配套的運(yùn)動(dòng)控制引擎 （MCE），該引擎包括實(shí)現(xiàn)閉環(huán)無(wú)傳感器正弦控制必需的所有控制元素，且不同于其它種類(lèi)的DSP或MCU，無(wú)需乏味易錯(cuò)的軟件編程環(huán)節(jié)。