洗碗機水泵無(wú)傳感器PMSM驅動(dòng)設計
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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
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：
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：
反電勢觀(guān)測儀的框圖如圖3所示。
圖3：反電勢觀(guān)測儀框圖
反電勢觀(guān)測儀輸出兩部分：(
)和(
)。這兩個(gè)信號生成關(guān)于轉子位置的信息。轉換成轉子軸角度的轉子電氣位置，可以由來(lái)自擴展反電勢估算的兩個(gè)輸入的反正切函數決定。這種方法產(chǎn)生轉子角度未過(guò)濾值，沒(méi)有速度信息。
估算轉子位置和速度的另外一個(gè)廣泛使用的方法是眾所周知的角度追蹤觀(guān)測儀。通過(guò)采用角度追蹤觀(guān)測儀，位置估算的噪音可以被過(guò)濾掉。角度追蹤觀(guān)測儀算法的另外一個(gè)優(yōu)勢是：作為算法一部分，它還會(huì )估算出轉子速度。圖4描述了角度追蹤觀(guān)測儀的結構。
圖4：角度追蹤觀(guān)測儀框圖
控制算法實(shí)現
以反電勢觀(guān)測儀和角度追蹤觀(guān)測儀為基礎且帶有轉子位置和速度估算算法的矢量控制方法，目前已經(jīng)通過(guò)飛思卡爾的MC56F8006得以實(shí)現。
有三條控制環(huán)路控制速度、轉矩、磁鏈?？刂扑惴ㄔ趦?yōu)先的中斷服務(wù)程序中執行。內部控制環(huán)路最為關(guān)鍵(q軸電流和d軸電流)，每125μs執行一次。外部控制環(huán)路(速度)每1ms執行一次。內部控制環(huán)路不可中斷，這點(diǎn)可以通過(guò)為其分配適當的高中斷優(yōu)先級得以保證。這種方法簡(jiǎn)化了應用框架設計，允許中斷程序優(yōu)先級由處理器自動(dòng)管理。矢量控制算法處理以下模擬信號：
– 三個(gè)電機相電流(ia、ib、ic)。這些信號通過(guò)安裝在三個(gè)逆變電路底部的三個(gè)并聯(lián)電阻進(jìn)行測量。
– DC總線(xiàn)電壓。
在任何給定實(shí)例中，只測量三個(gè)相電流中的其中兩個(gè)，計算第三個(gè)。當接通相應的底部晶體管，可以在并聯(lián)電阻器上看見(jiàn)電流?？梢栽谄渲袦y量電流的窗口依賴(lài)生成的PWM控制信號占空比，因此需要在適當且精確的瞬間開(kāi)始ADC轉換流程。借助MC56F8006 DSC中特別設計的硬件，可以圓滿(mǎn)完成這一艱巨任務(wù)。PWM模塊生成的可配置同步脈沖，可以輸入到可編程時(shí)延塊(PDB)中。之后，同步脈沖由PDB模塊進(jìn)行處理，輸出直接觸發(fā)ADC模塊，實(shí)現對ADC測量的精確同步控制。這種同步機制由硬件進(jìn)行處理，沒(méi)有任何軟件干預。軟件只需要讀取ADC結果寄存器。這里描述的應用使用這一功能，每125μs轉換6個(gè)模擬信號。ADC模塊包含兩個(gè)獨立的12位ADC轉換器，在經(jīng)過(guò)配置后可以依次、同時(shí)或并行運行。要進(jìn)行相位電流取樣，使用同時(shí)運行模式同時(shí)在兩個(gè)相位上進(jìn)行ADC測量。這樣就實(shí)現了精確的瞬時(shí)測量，三個(gè)相位電流都可以從該測量中提取。
由于反電勢觀(guān)測儀不從零速度開(kāi)始運行，轉子通過(guò)驅動(dòng)電機達到已知狀態(tài)(相位)進(jìn)行校準，這樣我們就了解了初始轉子位置。然后使用開(kāi)環(huán)啟動(dòng)算法，將電機加速到反電勢觀(guān)測儀能夠提供精確反饋結果的速度。從開(kāi)環(huán)啟動(dòng)到閉環(huán)控制的切換平穩進(jìn)行。
洗碗機水泵解決方案的運行圖如圖5所示，基于飛思卡爾MC56F8006的逆變器如圖6所示。
圖5：運行洗碗機泵演示
圖6：采用飛思卡爾MC56F8006器件的三相逆變器
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