無(wú)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、空氣調節系統、電冰箱等家用電器里面，電動(dòng)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低的，但是它們連續不斷的運行，這就是說(shuō)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式電機，這類(lèi)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(guò)程的能量損失，其結果是非常驚人的。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動(dòng)的機械能輸出。如果我們現在假設電力傳送過(guò)程當中的能量損失為7％，一座現代化火力發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電效率為35％，那么熱能消耗為370焦耳/秒。這就是說(shuō)浪費在火力發(fā)電廠(chǎng)、電力輸送電纜和電機上的能量比轉動(dòng)風(fēng)扇葉片的能量多11倍。用于空氣調節系統、電冰箱壓縮機等家用電器的大型單相感應電機的效率會(huì )略高一點(diǎn)，通常能夠超過(guò)65％。這樣就能夠把能量損失系數降低到4以下。但是壓縮機在通常的運行循環(huán)模式和停止模式當中的負荷是非常低的，因為只有在空氣調節系統、電冰箱等電器被開(kāi)動(dòng)的時(shí)候才會(huì )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(dòng)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(shí)現的，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荷較高的狀態(tài)下，使其運行于高效率操作點(diǎn)的時(shí)間較長(cháng)。
圖1：無(wú)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(jìn)展使得為IPM電機制造具有更高效費比的驅動(dòng)設備成為可能。為了以正弦電流驅動(dòng)IPM電機，最大程度的提高驅動(dòng)效率、降低噪聲，我們需要一種場(chǎng)定向控制算法（FOC）。無(wú)傳感器算法必須能夠僅僅根據電機的電流測量就能檢測電機轉子的位置。最后，這種控制硬件還必須在沒(méi)有昂貴的隔離回路的情況下監測電機繞組的電流。下一節將會(huì )介紹這種無(wú)傳感器控制算法和在永磁體交流電機上進(jìn)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(wú)傳感器控制算法
圖1當中的控制算法包含了在無(wú)傳感器的情況下用正弦電流驅動(dòng)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(gè)關(guān)鍵要素是一種使用了矢量旋轉模塊(e-j)的場(chǎng)定向控制結構，這種場(chǎng)定向控制結構同時(shí)還可以將交流的電機繞組電流轉換成2路直流電流分量，一路用來(lái)產(chǎn)生扭矩，另一路用來(lái)控制磁通量。輸入給旋轉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。轉子磁通量角使電流分割成D分量，D分量與磁通量結合到一起。Q分量用來(lái)產(chǎn)生扭矩。2個(gè)電流控制PI補償器的整定與電機繞組的RL時(shí)間常數相互匹配并且無(wú)需隨著(zhù)交流繞組電流頻率的改變而改變。前向矢量旋轉模塊(ej)將PI補償器的直流電壓輸出轉換成與轉子頻率相符的交流電壓?？臻g矢量PWM單元根據計算出來(lái)的交流電壓要求計算功率轉換二極管的切換時(shí)間?？臻g矢量調制自動(dòng)加入3階諧波來(lái)產(chǎn)生正弦電壓調制，最大限度的利用直流總線(xiàn)上的電壓。其中還包括了一種2相調制功能，可以盡量降低功率轉換器的切換損失。
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(lái)說(shuō)，就是控制器將電流（ID）的磁通量分量保持在0水平來(lái)使電機效率最高。但是由于IPM電機特別的轉子結構，一臺IPM電機會(huì )產(chǎn)生一個(gè)被稱(chēng)為磁阻扭矩的附加扭矩分量。在驅動(dòng)一臺IPM電機的時(shí)候，IPM控制模塊會(huì )將ID電流從0開(kāi)始增加，這是IQ目標的一個(gè)功能，目的是讓電機運行在效率最高的工作點(diǎn)。在任何的情況下，速度回路補償器都會(huì )計算將速度維持在目標值所需要的扭矩電流。在有些應用當中，例如洗衣機，需要比較寬的速度范圍。在這種情況下場(chǎng)電流減弱控制功能會(huì )加入負磁通量電流（ID）來(lái)降低電機的有效反電動(dòng)勢，并且在反電動(dòng)勢達到直流總線(xiàn)電壓限制之前允許電機運行在比較高的轉速下。
目前有許多工業(yè)驅動(dòng)系統使用這里介紹的算法結構，但是這種算法結構要求電機具備解碼器或是編碼器反饋。這種算法結構具有一個(gè)獨特的特點(diǎn)，就是它能夠通過(guò)電機繞組電流來(lái)推算出轉子的位置和速度而無(wú)需物理傳感器。這種無(wú)傳感器算法通過(guò)下面等式表示的電機回路模型推導出電機轉子的磁通量狀況?？刂破黩寗?dòng)定子的電壓，同時(shí)電流重建回路檢測電機的總電流。對等式的各項進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的重新排列和數學(xué)合并就能夠產(chǎn)生sine和cosine項。一個(gè)相位鎖定的回路不斷跟蹤這個(gè)算法，推導出角度和速度，就類(lèi)似于用在IC數字變換解碼器上的類(lèi)型。
這種算法的第二個(gè)特點(diǎn)是相電流變送單元根據換流器直流鏈接的電流量來(lái)推算出電機的相電流。參見(jiàn)圖2的說(shuō)明，對于任何一個(gè)運行中的換流器單元來(lái)說(shuō)，總有一個(gè)繞組被連接到一個(gè)總線(xiàn)導軌，同時(shí)有另外2個(gè)繞組被連接到其它總線(xiàn)導軌。這就是說(shuō)每一個(gè)PWM循環(huán)都會(huì )有2個(gè)電機繞組的電流值可用。相電流變送單元包括一個(gè)根據SVPWM輸入運行的采樣計時(shí)發(fā)生器、一個(gè)采樣模/數轉換器和計算三相電流的數學(xué)運算單元。這種方式的明顯優(yōu)點(diǎn)是可以不需要隔離的電流傳感器以及能夠讓無(wú)傳感器算法在家用電器上的應用具有更高的效/費比。
無(wú)傳感器控制算法是一套應用于家用電器電機控制的一體化設計平臺的一個(gè)組成部分。一個(gè)混合的信號控制IC能夠以硬件方式執行這種算法，不需要進(jìn)行任何復雜冗長(cháng)而且很容易出錯的軟件開(kāi)發(fā)。這個(gè)IC集成了電流測量所需的模/數轉換器和緩沖放大器。你可以在圖1中看到包括故障檢測功能和開(kāi)車(chē)順序的附加硬件功能。最后，這個(gè)控制IC還集成了一個(gè)自帶內存的8位微處理器內核用來(lái)執行家用電器工程師規定的其它應用功能。
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