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(shè)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(shè)計者甚至能夠為自己的設(shè)計選擇較小和較低成本的電機，而不會犧牲最終的性能。


家電電機控制

交流感應(yīng)電機是多數(shù)家電應(yīng)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?？筛哌_ 90%，與之相比，傳統(tǒng)的單相感應(yīng)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(shè)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(shè)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(dǎo)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。


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)。



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。



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(shè)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。基于這個原因，國際整流器公司開發(fā)了iMOTION平臺概念，它包含針對各種應(yīng)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(shè)計者可以作適當配置，建立針對特定應(yīng)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(yù)定控制塊。IC還包括一個ADC以及相應(yīng)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(yīng)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(wù)。MCE和8051MCU共同訪問雙口RAM，允許共享目標速度等設(shè)置點，并可在軟件控制下作調(diào)整。

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