洗碗機水泵驅動(dòng)設計

目前很多洗碗機水泵的驅動(dòng)部分使用了三相永磁同步電動(dòng)機(PMSM)。PMSM要求智能驅動(dòng)系統，其中所包含的微控制器用來(lái)解析轉子位置并實(shí)現控制環(huán)路，從而驅動(dòng)電機旋轉。 新型的由微處理器控制的洗碗機在節水節電的同時(shí)，能夠更加靜音。

由于PMSM中沒(méi)有換向器(即電刷)，因此電機控制技術(shù)必須基于對轉子位置的了解。該位置必須是可測量或可估計的。測量轉子位置要求在電機軸上安裝光編碼器(傳感器)等設備，而這樣做會(huì )大幅增加系統成本。如果可以用一個(gè)有效的方法估算轉子位置，那么就可以不使用傳感器。根據電機運轉狀態(tài)(零速度、低速、高速等)的不同，用來(lái)估算轉子位置的方法有很多種。電機高速運轉時(shí)，可以利用觀(guān)測儀就低角誤差、動(dòng)態(tài)性能、錯誤過(guò)濾等方面獲得良好結果。本文描述的解決方案使用的是“反電勢觀(guān)測儀”，它基于電機的數學(xué)模型。

用來(lái)驅動(dòng)PMSM的高性能技術(shù)基于磁場(chǎng)定向控制(FOC)，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為“矢量控制”。這種方法的目的，是無(wú)論機械負載轉矩變化和其他干擾如何，都能夠以精確追蹤命令軌跡的方式獨立控制氣隙中的電機轉矩和磁鏈，并實(shí)現盡可能快的瞬時(shí)響應。FOC方法加上估算轉子位置的反電勢觀(guān)測器，是驅動(dòng)基于 PMSM洗碗機水泵的理想解決方案。

洗碗機水泵

家電制造商最近已經(jīng)開(kāi)始使用PMSM來(lái)驅動(dòng)洗碗機水泵，典型參數包括：

– 230V的線(xiàn)路電壓(歐洲)
– 6或8個(gè)磁極
– 80W額定功率
– 在d、q軸下定子相位等效電感Ld與Lq的關(guān)系為-Ld=Lq

洗碗機水泵控制算法在閉合的電流和速度環(huán)路中運行。洗碗機內的水壓用液壓系統(水管、噴水器等)的物理設計來(lái)表示，可以通過(guò)變換水泵的速度進(jìn)行控制。

典型的洗碗機水泵運行特性包括103kPa(15psi)至827kPa(120psi)的水壓范圍和1,500rpm至3,500rpm 的機械泵速度。

PMSM電機控制方法

驅動(dòng)PMSM的比較適合的控制方法有數個(gè)。根據應用性能和成本要求，本節描述的矢量控制方法(也稱(chēng)為FOC)比較適當。FOC控制方法的基本原理如圖1中所述。

圖1：FOC控制方法原理

矢量控制方法通過(guò)Clarke和Park變換，將定子電流空間矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)和轉矩的電流分量。一旦分解，氣隙磁鏈(d軸)和電磁轉矩(q軸)可以獨立進(jìn)行控制。這種方法能夠以類(lèi)似于他勵直流電機的方式控制PMSM。

矢量控制方法的必要信息包括轉子的位置和速度，以及電機磁化磁鏈的位置。傳統運動(dòng)控制系統使用解析器或編碼器。這樣，監控轉子所需的傳感器、配線(xiàn)和連接器就增加了系統成本，降低了可靠性。對于成本敏感型應用，必須以其他方式獲取轉子位置。不采用位置傳感器的算法稱(chēng)為“無(wú)傳感器控制”方法。圖2中的框圖顯示了實(shí)施的無(wú)傳感器矢量控制算法。位置和速度采用反電勢觀(guān)測儀及追蹤觀(guān)測儀進(jìn)行估算，如圖所示。

圖2：PMSM矢量控制算法框圖

PMSM 電機的數學(xué)模型

電機是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統，因此我們用一組微分方程式對其進(jìn)行描述。alpha/beta靜止參照系中的定子電壓方程式可表達如下：

隱極電機的定子磁鏈可以表述為：

這樣，電機的電磁轉矩就是：

其中pp為電機極對數量。

該數學(xué)模型描述了該洗碗機水泵應用中使用到的PMSM 的行為，因此它可用于反電勢觀(guān)測儀。

轉子位置和速度估算

一般來(lái)說(shuō)，“estimator”是一個(gè)估算狀態(tài)變量的動(dòng)態(tài)系統。estimator實(shí)施從根本上說(shuō)有兩種形式：開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。在閉環(huán)estimator情況中，估算值和實(shí)際狀態(tài)變量之間的誤差作為校正項，調整響應。閉環(huán)estimator也稱(chēng)為觀(guān)測儀。

反電勢觀(guān)測儀基于對電動(dòng)勢的估算。反電勢模型包括來(lái)自傳統反電勢(轉子磁鐵)的感應電壓和來(lái)自定子電感的感應電壓。這讓我們能夠通過(guò)對反電勢的估算來(lái)估計轉子位置。這種方法在低速時(shí)有一定的局限性，因為反電勢信號非常弱，幾乎為零，而且觀(guān)測儀發(fā)散。當達到有效估算所需的最低運算速度時(shí)，反電勢觀(guān)測儀估算轉子位置，可將其作為矢量控制算法的反饋信號。正確的觀(guān)測儀運算的最低運算速度(電壓)閾值取決于電機構造，必須根據電機參數計算或直接在電機上進(jìn)行測試。

觀(guān)測儀算法處理從PMSM 數學(xué)模型中得到以下方程式：

觀(guān)測儀本身估算相位電流和反電勢值。估算得出的電流與實(shí)際測量得到的電流進(jìn)行比較，誤差作為校正信號返回觀(guān)測儀結構。這就使得觀(guān)測儀保持穩定和集中，因此狀態(tài)變量將接近實(shí)際值。反電勢觀(guān)測儀可用以下方程式：