電器設計中的電機控制趨勢

許多家用電器都包括一個或多個對其功能至關重要的電機。在不斷提高市場份額的斗爭中，新產(chǎn)品設計力求使其產(chǎn)品在競爭中脫穎而出。本文將探討五個主要趨勢，這些趨勢塑造了電器電機控制的未來，電器電機控制適用于從HVAC系統(tǒng)到食品加工的所有領域。 

能效

最大限度地降低電機和壓縮機的功耗仍然是電器設計的大趨勢之一。在很大程度上，美國環(huán)境保護局（EPA）家用電器能源之星計劃推動著這一進程。這項計劃會對產(chǎn)品進行評級并提供相應的標簽，顯示運行該設備所需的全年電量（kWh）。更高效的產(chǎn)品將獲得能源之星評級，而這是許多消費者眼中的必備家電屬性。許多其他國家/地區(qū)的政府提供類似的評級系統(tǒng)。

低端設備通常使用交流感應電機（ACIM）。使用變頻驅動器（VFD）可以相對簡單地控制這些電機。在這種技術中，三相正弦波形為電動機的繞組供電。電機的控制通過改變脈寬調(diào)制（PWM）占空比來實現(xiàn)，PWM占空比通過其變化率來設置電壓和頻率。

對于VFD，只要負載不變，即可通過使電壓與頻率之比保持恒定來提供恒定的轉矩。遺憾的是，裝備有VFD的ACIM對變化的負載或速度請求的反應緩慢，這降低了它的效率。例如，洗衣機通常使用ACIM，并且ACIM對可變負載的變化反應不佳。當濕衣服在滾筒內(nèi)翻轉，或者在攪拌期間滾筒旋轉發(fā)生變化時，就會發(fā)生這種情況。

提高效率的最直接方法是改變運行設備的電機類型。高端設備已經(jīng)開始采用一種新型電機，稱為永磁同步電機（PMSM）。由于設計原因，這種電機提供了更好的控制，但制造成本也更高。

PMSM的效率更高，因為它們在轉子中使用永磁體，而感應電機轉子使用的繞線線圈需要額外的能量來維持磁場。PMSM設計的優(yōu)點是可以使用一種稱為磁場定向控制（FOC）的改進控制算法，這種算法可以在更寬的負載或速度范圍內(nèi)非常精確地控制電機使用的能量。使用數(shù)字信號控制器（DSC）來控制PMSM（例如Microchip的dsPIC33EV系列），可以幫助提高這些電機的能效并實現(xiàn)無噪聲運行。

此外，使用具有FOC的PMSM可以節(jié)省大量能源。例如，冰箱的壓縮機是一種專門設計的電機，通過將控制范圍擴展到非常低的速度（如800 rpm），在冷卻系統(tǒng)中泵送冷卻液。因此，使用的功率降低了約30%。這可以顯著提高設備的能源星級。其他研究表明，PMSM在將電能轉換成轉矩方面可以達到90%的效率。

更高速

反過來看，諸如電鉆、HVAC和排氣扇等電器需要非常高的速度。磁場削弱（也稱磁通削弱）是一種控制技術，能夠以快于FOC技術的速度旋轉電機。為此，轉子磁體之后遇到的定子繞組中的電壓場以抵消轉子磁體中某些磁場（稱為磁通）的方式進行充電。當轉子的磁鐵與繞組對齊時，這會降低電機轉動的阻力效果。這種阻力稱為反向電磁力（BEMF）。通過磁場削弱降低BEMF，可以將電機的最高速度從25%提高到100%，只要該時間點所需的轉矩較低即可。由于大多數(shù)電器在較高運轉速度下不需要滿載轉矩，因此磁場削弱可以有效地提高它們的最高速度，從而提高運行效率。

最大程度降低噪聲

電器電機控制的第三大趨勢是最大程度降低噪聲。您是否厭倦了廚房電器的嗡鳴聲？很多人不想在家里聽到電器運行的聲音。靜音十分重要，消費者愿意為此支付更高的費用！

圖1：使用ACIM和PMSM電機的常見家用電器

電器電機噪聲的產(chǎn)生有多種原因。電源線中電源電壓的突然下降，以及負載或轉矩需求的突然變化，都可能導致轉子位置估計值略微偏離。此外，PWM控制信號的時序可能與轉子位置不完全一致。這些情況中的任何一種都可能導致轉子輕微抖動并產(chǎn)生可聽到的噪聲。

然而，造成電機噪聲的主要原因是導通和關斷金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）或絕緣柵雙極晶體管（IGBT），IGBT是一種將功率傳輸?shù)诫姍C繞組的大晶體管。每次打開或關閉這些晶體管時，繞組中電流的突然沖擊會推動周圍的空氣（與揚聲器的工作方式相同），產(chǎn)生可以聽見的聲音或咔嗒聲。把這個聲音乘以三倍（三個電機繞組），每秒鐘重復數(shù)千次，便會產(chǎn)生剛好處于人類平均聽力范圍內(nèi)（20至20 kHz）的電機嗡鳴聲。

幸運的是，我們有降低噪聲的解決方案。這一切都歸結于成本，但兩個關鍵的解決方案是以更高的頻率切換MOSFET并拓寬PWM。

雖然所有的電機控制算法都可以使用20 kHz或更高的PWM頻率將噪聲保持在人耳的聽覺范圍之外，但是許多家用電器仍然以更低的頻率（通常在5至8 kHz范圍內(nèi)）來關斷和導通它們的電機控制MOSFET。  這是因為，在較慢的速度下，可以低得多的價格購買集成電源模塊（IPM）（一種包含MOSFET的封裝）。

擴頻是另一種技術，一些設計正在使用這項技術來進一步降低噪聲。為此，使用隨機數(shù)發(fā)生器來改變PWM頻率。這會使PWM頻率時高時低，但平均PWM頻率將保持不變。通過將這種抖動添加到PWM頻率中，噪聲信號的幅度減小，并可實現(xiàn)顯著的降噪效果。

先進的控制技術

有一種技術在各種家電的電機應用中都十分實用，它涉及到在啟動前和極低的轉速下掌握電機轉子相對于定子的位置。這有兩個主要原因。第一個原因是，一些電器不能反向運行（例如空調(diào)機組中的泵和壓縮機）。如果電機在啟動時轉向錯誤，即便是微小的轉動，也可能最終損壞泵并導致其斷裂。第二個原因是，像鉆孔機、食品加工器、洗衣機和風扇這樣的電器需要從啟動時就獲得滿載轉矩，以便更快地達到全速運轉。

遺憾的是，與FOC一起使用的反饋電路（稱為估測器或觀測器）不能在零速或低速下工作。FOC稱為無傳感器技術。這意味著，將沒有霍爾傳感器、磁位置傳感器或光軸編碼器來提供轉子位置。為了發(fā)揮作用，F(xiàn)OC算法從三個電機繞組獲得電流反饋。當電機首次啟動時，速度過低，反饋電路無法獲得良好的讀數(shù)，電機以開環(huán)方式運行。在電機達到足夠的轉速（如50 rpm），并且獲得良好的電流反饋后，控制回路閉合，進行正常的FOC。

為了能夠在電機啟動或低速運轉時檢測轉子位置，開發(fā)了一種使用高頻注入（HFI）的技術。在這種技術中，轉子中的三個繞組通過高頻PWM信號逐一通電，并測量電流反饋信號。通過比較這三個測量值，可以確定轉子的準確位置，并利用正確的PWM信號以正確的方向啟動泵和壓縮機的轉子。這樣做也能更快地加速電機。

另一項新技術稱為“風轉”。通過風轉，可以重新啟動處于滑行狀態(tài)的電機，以匹配當前電機的位置和速度，從而實現(xiàn)平穩(wěn)而不晃動的重啟。這樣既有助于降低噪聲，又能提高電機耐用性。

此外，也可以通過使用FOC最大程度地提高轉矩的方式來控制電機。這種技術稱為每安培最大轉矩（MTPA），它允許電機在恒定轉矩階段的閉環(huán)轉換后加速旋轉。利用這種技術，洗衣機可以實現(xiàn)高速旋轉，從衣物中排出更多的水，無人機的電機也可以在不到300 ms內(nèi)從0 rpm加速到30,000 rpm，從而實現(xiàn)更快的起飛。 

提高安全性

最后一個趨勢至關重要。行業(yè)內(nèi)發(fā)起了一項提高產(chǎn)品功能安全性的運動。這意味著電氣元件——即控制電器電機的單片機（MCU）或數(shù)字信號控制器（DSC）需要具有符合行業(yè)規(guī)范的內(nèi)置安全特性。例如，IEC 60730 B類安全規(guī)范要求在啟動時關閉MCU或DSC的PWM信號的默認狀態(tài)，以防止任何可能導致電機轉動的瞬態(tài)尖峰電壓。未來，行業(yè)將為電機控制設計工程師編制一本功能安全手冊，以幫助他們更好地理解如何使用MCU或DSC電機控制器件中內(nèi)置的所有安全功能。這種趨勢將使電機驅動的家用電器變得更加安全，最終讓所有人受益。