通過(guò)智能電機控制優(yōu)化實(shí)時(shí)性能與效率的方案
數十年來(lái),大多數電機控制應用都依賴(lài)于可為其實(shí)現低成本與實(shí)施簡(jiǎn)便性的通用有刷 DC 與步進(jìn)電機。不過(guò),隨著(zhù)微處理器 (MCU) 架構的不斷創(chuàng )新與集成度的不斷提高,當今開(kāi)發(fā)人員能夠采用更先進(jìn)與更智能的電機類(lèi)型與控制機制,以極低的成本提高電機的精度、性能、電源效率和使用一系列狀態(tài)簡(jiǎn)化控制復雜性。所支持的狀態(tài)越多,對位置的控制精確度就越高,但這同時(shí)也意味著(zhù)需要更復雜的處理過(guò)程壽命。
高級電機類(lèi)型
AC 電感 (ACI) 電機能很好地滿(mǎn)足各種不同高性能應用的需求,其中包括白色家電、泵、風(fēng)扇以及壓縮機等(如冰箱和 HVAC 系統)。由于電機的內部定子和轉子由可變電流控制且以不同的速度旋轉,因而 ACI 電機采“持續”的控制方案來(lái)提高定位精度。PMSM 可實(shí)現低噪聲工作和最小轉矩,理想適用于需要高精度位置控制、超高速度和/或極高轉矩的應用用異步工作模式。ACI 擁有優(yōu)異的速度與扭矩控制,能夠以較低的成本實(shí)現卓越的穩健性,且在高速情況下具有出色的效率。ACI 的主要劣勢在于其需要復雜的反饋和控制機制,才能避免速度變化和較低速度時(shí)的效率不受影響。
無(wú)刷 DC (BLDC) 電機采用同步工作模式,可通過(guò)可變電流控制定子磁通量,而定子磁通量則由永磁線(xiàn)圈或電流饋電線(xiàn)圈保持為常量。同步控制能夠提供非常高的位置精度,以及更高的電源效率(也就是說(shuō),由于磁鐵固有的磁通量,因而驅動(dòng)電機所需的電流可以降低)。BLDC 電機采用一系列狀態(tài)(參見(jiàn)圖 1)對位置進(jìn)行控制。所支持的狀態(tài)越多,對位置的控制精確度就越高,但這同時(shí)也意味著(zhù)需要更復雜的處理過(guò)程。由于 BLDC 為無(wú)刷操作,因而理想適用于維護和磨損對總擁有成本影響較大的應用領(lǐng)域。BLDC 是發(fā)展速度最快的一種電機類(lèi)型,能針對中高扭矩實(shí)現高效可靠的操作,具有高功率密度和可用于易燃環(huán)境等特性,非常適用于自動(dòng)化、牽引、精密設備和白色家電等應用。由于 BLDC 采用簡(jiǎn)單的換向技術(shù),因而這種系統復雜度較低、重量較輕,有助于實(shí)現小尺寸、高效率、低成本等優(yōu)異特性,而且在變速及低速情況下均能實(shí)現出色性能。
永磁同步電機 (PMSM) 與 BLDC 電機的不同之處在于采用了“持續”的控制方案(參見(jiàn)圖 2)。也就是說(shuō),PMSM 可實(shí)現低噪聲工作、最小的換向轉矩紋波,且能與低成本的分布繞組協(xié)同配合。其可支持更高的最高可達速度和更高的效率與轉矩,因此非常適用于需要高精度位置控制、超高速度和/或極高轉矩的應用,例如牽引、高精度自動(dòng)化(機器人)以及混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(chē)等。
智能控制機制
對于如何控制不同類(lèi)型的電機而言,開(kāi)發(fā)人員有許多選擇,具體取決于保持電機效率的工作范圍(如高/低速度、高轉矩)以及需要多高的精度(如位置、速度、轉矩等)。每一種控制機制都在成本、電源效率、精度和性能方面擁有最佳的平衡點(diǎn)。
簡(jiǎn)單的標量控制(也稱(chēng)為 V/f 或單位頻率電壓)是一種用于驅動(dòng) ACI 電機的流行方法,因為這種方法實(shí)施起來(lái)簡(jiǎn)單直接,且其相應的處理要求也不高??赏ㄟ^(guò)改變用于驅動(dòng)電機的正弦波頻率來(lái)管理速度,無(wú)需控制電流或優(yōu)化轉矩。但是,簡(jiǎn)單的標量控制在高速和低速情況下轉矩效率均較低,動(dòng)態(tài)性能不佳,對變化的響應遲緩,對設置點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)沖,并在低速情況下內部電源損耗非常嚴重。
磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 相對于簡(jiǎn)單標量控制而言,FOC是一種智能化程度更高的控制機制,根據應用的不同,其更高的復雜性能實(shí)現相對更出色的低成本性和電源效率以及更高的精度和性能。此外,FOC 也稱(chēng)為矢量控制,能在整個(gè)轉矩和速度范圍內實(shí)現對 ACI 和 PMSM 電機(表 1)的最佳控制。FOC 不僅能在最小化轉矩紋波的同時(shí)提升起始轉矩,而且還能有效支持所有速度的最大轉矩。其可對變化進(jìn)行快速響應并能在滿(mǎn)負載條件下保持零速,從而可在整個(gè)電機速度范圍內確保性能穩定可靠。由于 FOC 采用電流控制模式,因而開(kāi)發(fā)人員可根據特定應用來(lái)相應優(yōu)化電源轉換器電路和電機大小。
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