利用DSP智能電機控制提高能量效率

　　目前,工業(yè)用電的三分之二為電機所消耗,而在居民用電中這一比例亦高達(dá)四分之一,有鑒于此,電機的效率問題繼續(xù)受到更大的關(guān)注。標(biāo)準(zhǔn)的電機應(yīng)用完全能以更高的能量效率運行,就電能到機械能的轉(zhuǎn)換而言,大多數(shù)電機的效率較低。這意味著它們浪費了大量的能量,以發(fā)熱的形式散失掉,而未能變換為有用的機械能。

　　此外,既然一個未受控制的電機必須克服瞬態(tài)機械負(fù)載的影響,設(shè)計者除了加大電機尺寸外很難作出其它的選擇,而一個尺寸過大的AC感應(yīng)電機(最常用的電機類型),其效率必然更低,因為電機是在小于其設(shè)計負(fù)載的條件下工作。

提高電機的效率

　　這些問題可以通過智能控制來克服,智能控制可以從兩個方面大大提高電機的效率。首先,智能控制采用了先進的算法來提高電機的運行性能。最常見的方法是對AC感應(yīng)電機的運行進行矢量控制,可以讓電機采用合理的尺寸,以實現(xiàn)最優(yōu)的效率。此外,速度可調(diào)也使系統(tǒng)能以更高的效率運行。例如,一個矢量控制的可調(diào)速驅(qū)動可避免使用傳動,從而減少系統(tǒng)機械部件帶來的能量損耗。

　　其次,由于系統(tǒng)采用智能控制,就有可能將現(xiàn)有的電機更換為效率更高的電機。在電器中逐步采用永磁電機就是這一發(fā)展趨勢的體現(xiàn)。

　　永磁同步電機從本質(zhì)上來說比AC感應(yīng)電機的效率更高,因為它們沒有后者與感應(yīng)轉(zhuǎn)子電流相關(guān)的傳導(dǎo)損耗,它們還具有更優(yōu)良的機械特性,如力矩紋波更低、運行更加安靜,而且在產(chǎn)生同樣的機械功率輸出時,它們的體積更小。開關(guān)磁阻電機在一個固定或者中度變速的應(yīng)用中也可以表現(xiàn)出極高的效率,而這些應(yīng)用需要DSP控制器才具備精確、復(fù)雜控制能力。

　　所有這些解決方案都有一個共同點：它們利用了密集的數(shù)值計算來提高系統(tǒng)的性能。矢量控制算法需要先對轉(zhuǎn)子磁通量的方位進行測量或者預(yù)測,然后對一個多相繞組產(chǎn)生的定子通量位置進行優(yōu)化,在給定的通量結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生最大的力矩。對于一臺永磁電機而言,定子通量需要隔開90度(電角度),這是產(chǎn)生力矩的最佳方式。因為所產(chǎn)生的力矩直接與兩個通量間夾角的正弦成正比(在AC感應(yīng)電機中,由于通量磁化分量的緣故,通量間的關(guān)系更為復(fù)雜,但基本原理是相同的)。

智能控制的實現(xiàn)

　　要實現(xiàn)經(jīng)濟性的智能控制時,面對的挑戰(zhàn)就在于涉及的算法在數(shù)學(xué)上的復(fù)雜性,這是因為大多數(shù)微控制器(MCU)不能以實時方式處理如此復(fù)雜的計算。然而新一代廉價的數(shù)字信號處理器(DSP)控制器提供了智能控制所需的計算能力,以及片上系統(tǒng)(SOC)集成方式和有助于簡化電機控制系統(tǒng)設(shè)計的軟件開發(fā)支持。

　　運行智能控制軟件的DSP控制器使得應(yīng)用能夠以尺寸更小或效率更高的電機來應(yīng)對負(fù)載的變化,減小成本、空間占用和冷卻方面的要求。尺寸更小的電機,其售價也更低,而且由于功率電子線路需要承受的電流也低,故這部分線路的成本得以縮減。基于DSP控制器的智能控制,具備經(jīng)濟性好的優(yōu)點,而汽車、工業(yè)設(shè)備、家用電器、加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)及多種其它電機應(yīng)用都將從中獲益。

先進控制能為最終設(shè)備作些什么？

　　除了能讓電機運行效率提高外,先進的控制技術(shù)還能讓系統(tǒng)設(shè)計者進行革新、改進系統(tǒng)并降低成本。在復(fù)雜的電機應(yīng)用中,對嵌入式智能控制的需求是顯而易見的。例如,組裝流水線上的定位伺服電機必須能適應(yīng)皮帶摩擦力、負(fù)載重量及其他因素的變化。用于HVAC系統(tǒng)中提供恒定氣流的風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)速,必須不斷得到調(diào)整,以補償門禁開啟、關(guān)閉所帶來的壓力變化。

　　從本質(zhì)來說,智能電機控制需要對轉(zhuǎn)子的磁通位置和速度進行即時計算,以便對流經(jīng)電機繞組的電流進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,確保較低的力矩波動。但是,雖然智能電機控制設(shè)計的基本要求是轉(zhuǎn)子的定位和速度,但并不局限于此,其他的挑戰(zhàn)包括：為消除電源的瞬態(tài)尖峰而提供的功率因數(shù)修正(PFC)、力矩紋波效應(yīng)的消除以及對電磁兼容性規(guī)范的遵守。

用智能控制進行設(shè)計

　　微控制器缺乏至關(guān)重要的數(shù)值處理能力,故此就系統(tǒng)成本和性能而言,對智能控制來說是一種效率較低、經(jīng)濟性較差的解決方案。高性能DSP控制器可以實時完成轉(zhuǎn)子定位和速度計算,而無需進行查表操作。由于DSP控制器可以從內(nèi)部在線傳感器提供的電壓、電流反饋中計算出這些矢量,故沒有必要采用外部的傳感器。DSP控制器的處理能力使得面向現(xiàn)場的控制(field-oriented control,FOC)成為可能,讓定子的磁場正交于轉(zhuǎn)子的磁通量,以實現(xiàn)動態(tài)性能優(yōu)良的機器。連同反饋在內(nèi)的整個32bit FOC算法循環(huán)可以在10ms內(nèi)完成,為通量估算器、PFC和其它算法處理留下了充裕的時間。此外,基于同一種DSP控制器平臺的其它產(chǎn)品可以復(fù)用這些算法,從而降低了開發(fā)成本、縮短了新電機推向市場的時間。

高水平集成、開發(fā)支持

　　新一代DSP控制器提供了外圍集成,與那些基于MCU的產(chǎn)品相比使用更為方便。實例之一是TI公司的150MIPS TMS320F2812數(shù)字信號處理(見圖1),它采用了一個單循環(huán)32bit多重累加(MAC)數(shù)據(jù)通路或者雙16bit MAC,將DSP所能保證的性能和精度與高端MCU的靈活性結(jié)合起來?？焖僦袛嗵幚砟芰?再加上用于普通控制的操作代碼(如位操作和分支),使得該器件適用于多用途、多任務(wù)環(huán)境。片上的功能模塊包括：閃存器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制輸出和CAN總線支持等。

　　DSP的軟件開發(fā)支持是由集成化的開發(fā)環(huán)境(IDE)保證的。效率極高的C編譯器使得開發(fā)者可以生成幾乎和匯編一樣緊湊的目標(biāo)代碼,經(jīng)過快速的學(xué)習(xí)曲線后可以實現(xiàn)出色的性能。IQMath等工具給編程者提供了一種自動的在線代碼編輯器和一個用于浮點函數(shù)的庫,簡化了控制算法中實運算功能的使用。為了實現(xiàn)更快速的開發(fā),廠商和第三方提供了現(xiàn)成的電機控制模塊。

結(jié)語

　　單片式DSP控制器解決方案,包括易用的軟件,使得制造商能以最小的開發(fā)投資實現(xiàn)智能控制功能的嵌入。因此,設(shè)備制造商和最終用戶可采用合適尺寸的電機,成本更低、功耗更小、可靠性更高。高性能可編程DSP控制器所實現(xiàn)的智能控制技術(shù),將為電機系統(tǒng)的設(shè)計者提供開發(fā)新一代環(huán)境友好“綠色”電機所需的方法。