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基于電機控制的高效家電設計實現(xiàn)

發(fā)布時間:2014-09-15 責任編輯:stone

【導讀】事實上,采用最新的集成運轉(zhuǎn)控制平臺,設計者甚至能夠為自己的設計選擇較小和較低成本的電機,而不會犧牲最終的性能。

洗衣機和冰箱等家電制造商都面臨著提高產(chǎn)品性能與功能的壓力,同時還要降低整體能耗。設計者要滿足這些似乎相互矛盾的目標,同時不會招致明顯的成本損失,關(guān)鍵是使用針對控制家電中中等規(guī)模電機的新技術(shù)。事實上,采用最新的集成運轉(zhuǎn)控制平臺,設計者甚至能夠為自己的設計選擇較小和較低成本的電機,而不會犧牲最終的性能。

圖1PM交流電機面向現(xiàn)場無傳感器控制
 
圖1PM交流電機面向現(xiàn)場無傳感器控制

家電電機控制

交流感應電機是多數(shù)家電應用中電機的首選目標。這主要是由于它們可以直接用交流電運行,而無需增加控制電路或姿態(tài)反饋傳感器。例如,冰箱中的傳統(tǒng)家電控制器是一個簡單電路,它定期執(zhí)行壓縮機的開機和停機,以保持目標區(qū)域的溫度。

當系統(tǒng)開始運行時,壓縮機就連續(xù)運轉(zhuǎn)。一旦溫度到達了目標區(qū),壓縮機便以低占空比運轉(zhuǎn)。當系統(tǒng)以低的開/關(guān)占空比運轉(zhuǎn)時,壓縮機在大部分時間里都偏離最高效的工作點。改變壓縮機的轉(zhuǎn)速來匹配制冷負荷,可以減少 40% 的能耗,因為制冷系統(tǒng)能夠以更高占空比運行。

采用三相PM(永磁)電機,并將電機控制在變速運行狀態(tài),就能進一步改進家電的效率。這類電機效率通常可高達 90%,與之相比,傳統(tǒng)的單相感應電機的效率為 70%。同時,這類電機還可以簡化速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。

另外,由于有更高的效率,就可以采用較小的電機,因此降低了單位成本,更容易做機械設計。顯然,從這些電機獲取最大利益的關(guān)鍵就有賴于驅(qū)動方法的選擇。要準確而高效地驅(qū)動冰箱或洗衣機等家電中的變速電機,重要的是能夠獲得轉(zhuǎn)子姿態(tài)的信息。最顯而易見的方式是采用附加的檢測元件。但是,這會同時影響可靠性和成本,實際上是不現(xiàn)實的方法。因此,設計者正在尋找無傳感器技術(shù)。

無傳感器的變速電機控制

由于電機控制技術(shù)的進步,現(xiàn)在無需姿態(tài)傳感器也能實現(xiàn)高效率的三相PM電機交流傳動。圖1是這類系統(tǒng)的一個實例。圖中,右側(cè)是三相電源逆變器,它控制著從直流電源進入PM電機繞組的電流,同時空間矢量PWM單元是功率晶體管計算時序信號,然后由功率晶體管為電機提供三相正弦波電壓。低電壓控制信號與連接到高電壓直流總線功率開關(guān)之間的接口是一個 HVIC(高壓柵極驅(qū)動 IC)。

這些 IC 比分立的柵極驅(qū)動電路或普通光電耦合、脈沖變壓器方案更強健和精致。最新的 HVIC 技術(shù)采用先進的混合信號半導體工藝,結(jié)合了低電壓輸入能力與高電壓驅(qū)動輸出和大量板載功能。

圖2MCE與同時集成的8051微控制器芯片上帶有A/D
 
圖2MCE與同時集成的8051微控制器芯片上帶有A/D

如圖 1 所示,控制電路的關(guān)鍵是需要實現(xiàn)一個磁場定向控制(FOC)算法。這種算法通常用于工業(yè)傳動系統(tǒng)中,它計算提供所需速度和轉(zhuǎn)矩的電機電壓與電流,有最高的電機效率。

FOC 采用向量變換,將交流電機繞組的電流分解成兩個用于驅(qū)動電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩的“準直流”(quasi DC)電流分量。這種變換包括作為轉(zhuǎn)子磁鏈角函數(shù)的一個向量旋轉(zhuǎn)(e-jq),以取得與轉(zhuǎn)子磁鏈相配合的一個電流分量(ID);還有一個產(chǎn)生電機轉(zhuǎn)矩的正交分量(IQ)。

電流反饋控制回路計算出兩個“準直流”的電壓分量VD和VQ,用于保持目標轉(zhuǎn)矩和磁鏈。第二個向量旋轉(zhuǎn)為脈沖寬度調(diào)制器計算出交流電壓基準。FOC算法的優(yōu)勢在于,電機轉(zhuǎn)矩是IQ基準的一個線性函數(shù),它產(chǎn)生一個簡單的線性速度控制規(guī)則。在PM電機情況下,控制器將磁鏈電流分量(ID)保持為零,從而實現(xiàn)運動系統(tǒng)效率的最大化。

采用這種算法的一個主要優(yōu)點是,控制器能夠通過測量逆變器直流鏈接(只用一個直流鏈接分流器為電機提供電流)中的電流,計算出轉(zhuǎn)子的位置。

估計轉(zhuǎn)子位置


使用轉(zhuǎn)子角評估器電路,通過下面的電機繞組電路方程,支持無傳感器的轉(zhuǎn)子姿態(tài)反饋。三相至兩相的變換簡化了計算,并得到兩個關(guān)系,分別是轉(zhuǎn)子磁鏈角的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。

公式1

解出這些方程即得到電機電流與電壓的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。反正切計算可以確定轉(zhuǎn)子角,但基于以下誤差函數(shù)的鎖相環(huán)方法更為強大,它能產(chǎn)生一個副產(chǎn)品,即過濾的速度測量法。

公式2

控制器通過對直流鏈并聯(lián)電阻上的采樣電流以及功率逆變器開關(guān)的時序作同步,重建電機的相電流。如前所述,上述方法的一個顯著優(yōu)點是電機反饋信號取自單個直流并聯(lián)電阻,因此無需使用姿態(tài)傳感器或隔離式電流傳感器。于是就獲得了對家電PM交流電機具有成本效益的控制方法,大大提高了效率和性能。
實現(xiàn)無傳感器控制

雖然上述方法為電機控制提供了一種可靠、準確的方法,但它們也給設計工程師帶來了一個重大挑戰(zhàn),尤其是在建立軟件編碼時?;谶@個原因,國際整流器公司開發(fā)了iMOTION平臺概念,它包含針對各種應用領(lǐng)域的集成電機控制系統(tǒng),如家電。

iMOTION平臺概念的核心是專用的運轉(zhuǎn)控制IC。這些 IC在單只芯片內(nèi)包含了兩個計算引擎,如圖 2 所示。第一個是運轉(zhuǎn)控制引擎(MCE),它包含了PM電機無傳感器控制所需的全部代碼;第二個是一只8位高速微控制器。MCE包括一系列硬件實現(xiàn)的控制元件,設計者可以作適當配置,建立針對特定應用的運轉(zhuǎn)控制算法。配置工作通過一個簡單易用的圖形化編譯器完成。

MCE中提供了FOC算法的關(guān)鍵部分,作為完整的預定控制塊。IC還包括一個ADC以及相應的算法,完全支持單一并聯(lián)電流重建。有了MCE處理運轉(zhuǎn)控制,8051微控制器就能自由地運行家電應用軟件,包括排序、用戶界面、主機通信以及較高層的控制任務。MCE和8051MCU共同訪問雙口RAM,允許共享目標速度等設置點,并可在軟件控制下作調(diào)整。

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