傳感器控制降低高效永磁電機(jī)低成本

1、傳感器控制降低高效永磁電機(jī)低成本本文轉(zhuǎn)載自電機(jī)修理 降低能源消耗現(xiàn)在已經(jīng)成為世界各國政府的主要關(guān)心。電能的生產(chǎn)消耗了大量的煤炭和石油，同時(shí)還產(chǎn)生了加速全球變暖過程的大量二氧化碳排放。即使是用來發(fā)電的清潔能量源例如水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電也各有其相應(yīng)的環(huán)境影響。不斷增加的電力需求還要求對(duì)發(fā)電廠和輸電線路進(jìn)行巨大的投資。正是基于以上原因，包括中國、韓國、日本、美國、歐洲在內(nèi)的許多國家和地區(qū)的政府都在不斷提高對(duì)家庭用戶和商業(yè)用戶的能源節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)。 在上個(gè)世紀(jì)初，當(dāng)商業(yè)化輸配電第一次成為可能的時(shí)候，電力在家庭當(dāng)中的用途僅僅局限于照明。然而在現(xiàn)代家庭當(dāng)中，目前照明所消耗的電力僅占10，諸如電風(fēng)扇、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、

2、電冰箱、洗衣機(jī)等家用電器以及各種娛樂設(shè)施例如電視機(jī)、音像系統(tǒng)等已經(jīng)取而代之成為家庭當(dāng)中的主要電力消耗者。 在諸如電風(fēng)扇、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電冰箱等家用電器里面，電動(dòng)馬達(dá)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(dāng)?shù)偷?，但是它們連續(xù)不斷的運(yùn)行，這就是說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、水泵等小型家智能金屬管浮子流量計(jì)用電器通常采用單相屏蔽極式電機(jī)或者永久電容感應(yīng)式電機(jī)，這類電機(jī)的效率只能達(dá)到25。 如果綜合考慮電機(jī)效率造成的能量損失和發(fā)電以及輸電過程的能量損失，其結(jié)果是非常驚人的。一臺(tái)效率為25的小風(fēng)扇電機(jī)需要消耗120瓦的電能，其中只有30瓦的能量變

3、成了扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能輸出。如果我們現(xiàn)在假設(shè)電力傳送過程當(dāng)中的能量損失為7，一座現(xiàn)代化火力發(fā)電廠的發(fā)電效率為35，那么熱能消耗為370焦耳/秒。這就是說浪費(fèi)在火力發(fā)電廠、電力輸送電纜和電機(jī)上的能量比轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇葉片的能量多11倍。 用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電冰箱壓縮機(jī)等家用電器的大型單相感應(yīng)電機(jī)的效率會(huì)略高一點(diǎn)，通常能夠超過65。這樣就能夠把能量損失系數(shù)降低到4以下。但是壓縮機(jī)在通常的運(yùn)行循環(huán)模式和停止模式當(dāng)中的負(fù)荷是非常低的，因?yàn)橹挥性诳諝庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)、電冰箱等電器被開動(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(jī)的啟動(dòng)階段，這部分能量損失在一臺(tái)以固定速度運(yùn)行的壓縮機(jī)所消耗的總能量當(dāng)中占了很大

4、一部分。 有關(guān)研究表明：使用一臺(tái)變速壓縮機(jī)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(xiàn)的，因?yàn)閴嚎s機(jī)的運(yùn)行速度較好的與制冷的要求相匹配，這樣壓縮機(jī)就可以處于負(fù)荷較高的狀態(tài)下，使其運(yùn)行于高效率操作點(diǎn)的時(shí)間較長。在過去的十幾年中，日本的制造商采用可變速永磁體電機(jī)不斷提高家用電器的效率。其中的控制系統(tǒng)使用一種電功率變換器來改變電機(jī)繞組電壓的頻率從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在有些家用電器當(dāng)中（例如電風(fēng)扇），他們使用霍爾傳感器來探測轉(zhuǎn)子的位置，將繞組的切換同轉(zhuǎn)子磁體的位置同步起來從而盡量提高效率，同時(shí)還可以簡化啟動(dòng)過程。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只需要非常簡單的電子回路就可以實(shí)現(xiàn)控制要求。 但是一臺(tái)密封的壓縮機(jī)是

5、無法安裝霍爾傳感器的，因此需要一種無傳感器的算法。一種用于6步永磁體電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的流行的無傳感器算法采用探測繞組反電勢的零交叉來檢測轉(zhuǎn)子的位置。這種控制算法通常使用一個(gè)8位的微處理器來管理相位超前和啟動(dòng)順序。這種6步系統(tǒng)有一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)的電流在繞組之間切換（變換電流方向）的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種扭矩干擾。在許多風(fēng)扇和水泵的應(yīng)用當(dāng)中這種扭矩干擾會(huì)產(chǎn)生一種煩人的噪音，尤其是在低速時(shí)，而這時(shí)風(fēng)扇葉片幾乎不發(fā)出聲音。為了有助于減輕這種噪音，這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子配置了表面安裝的磁體來降低繞組的感應(yīng)系數(shù)，同時(shí)使變換電流方向的周期最短。不過理想的解決方案是采用正弦電流來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣可以完全消除這類扭矩干擾。這種類型的

6、控制還使應(yīng)用另一種采用內(nèi)置永磁體（IPM）設(shè)計(jì)的電機(jī)成為可能。這種內(nèi)置永磁體（IPM）設(shè)計(jì)的電機(jī)能夠產(chǎn)生比永磁體電機(jī)多15%的扭矩，還具有進(jìn)一步提高效率的潛力。IPM設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)電機(jī)的效率可以超過90，與單相感應(yīng)電機(jī)65的效率相比極大的減少了能量浪費(fèi)。也就是說一臺(tái)采用3kW單相感應(yīng)電機(jī)的壓縮機(jī)如果使用IPM電機(jī)將只需要1.75kW。 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(jī)制造具有更高效費(fèi)比的驅(qū)動(dòng)設(shè)備成為可能。為了以正弦電流驅(qū)動(dòng)IPM電機(jī)，最大程度的提高驅(qū)動(dòng)效率、降低噪聲，我們需要一種場定向控制算法（FOC）。無傳感器算法必須能夠僅僅根據(jù)電機(jī)的電流測量就能檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。

7、最后，這種控制硬件還必須在沒有昂貴的隔離回路的情況下監(jiān)測電機(jī)繞組的電流。下一節(jié)將會(huì)介紹這種無傳感器控制算法和在永磁體交流電機(jī)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(jī)可以使用高效率的IPM電機(jī)，并且使采用表面安裝磁體電機(jī)或IPM電機(jī)的風(fēng)扇可以取消霍爾傳感器。 無傳感器控制算法 圖1當(dāng)中的控制算法包含了在無傳感器的情況下用正弦電流驅(qū)動(dòng)一臺(tái)IPM電機(jī)或者表面安裝磁體電機(jī)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(zhuǎn)模塊(e-j)的場定向控制結(jié)構(gòu)，這種場定向控制結(jié)構(gòu)同時(shí)還可以將交流的電機(jī)繞組電流轉(zhuǎn)換成2路直流電流分量，一路用來產(chǎn)生扭矩，另一路用來控制磁通量。輸入給旋轉(zhuǎn)模塊的

8、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(zhuǎn)子磁通量角使電流分割成D分量，D分量與磁通量結(jié)合到一起。Q分量用來產(chǎn)生扭矩。2個(gè)電流控制PI補(bǔ)償器的整定與電機(jī)繞組的RL時(shí)間常數(shù)相互匹配并且無需隨著交流繞組電流頻率的改變而改變。前向矢量旋轉(zhuǎn)模塊(ej)將PI補(bǔ)償器的直流電壓輸出轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子頻率相符的交流電壓?？臻g矢量PWM單元根據(jù)計(jì)算出來的交流電壓要求計(jì)算功率轉(zhuǎn)換二極管的切換時(shí)間。空間矢量調(diào)制自動(dòng)加入3階諧波來產(chǎn)生正弦電壓調(diào)制，最大限度的利用直流總線上的電壓。其中還包括了一種2相調(diào)制功能，可以盡量降低功率轉(zhuǎn)換器的切換損失。最大限度的提高每安培電流的電機(jī)扭矩輸出，使電機(jī)的效率最高。對(duì)

9、于表面安裝磁體電機(jī)來說，就是控制器將電流（ID）的磁通量分量保持在0水平來使電機(jī)效率最高。但是由于IPM電機(jī)特別的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一臺(tái)IPM電機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)被稱為磁阻扭矩的附加扭矩分量。在驅(qū)動(dòng)一臺(tái)IPM電機(jī)的時(shí)候，IPM控制模塊會(huì)將ID電流從0開始增加，這是IQ目標(biāo)的一個(gè)功能，目的是讓電機(jī)運(yùn)行在效率最高的工作點(diǎn)。在任何的情況下，速度回路補(bǔ)償器都會(huì)計(jì)算將速度維持在目標(biāo)值所需要的扭矩電流。在有些應(yīng)用當(dāng)中，例如洗衣機(jī)，需要比較寬的速度范圍。在這種情況下場電流減弱控制功能會(huì)加入負(fù)磁通量電流（ID）來降低電機(jī)的有效反電動(dòng)勢，并且在反電動(dòng)勢達(dá)到直流總線電壓限制之前允許電機(jī)運(yùn)行在比較高的轉(zhuǎn)速下。 目前有許多工業(yè)驅(qū)動(dòng)

10、系統(tǒng)使用這里介紹的算法結(jié)構(gòu)，但是這種算法結(jié)構(gòu)要求電機(jī)具備解碼器或是編碼器反饋。這種算法結(jié)構(gòu)具有一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)，就是它能夠通過電機(jī)繞組電流來推算出轉(zhuǎn)子的位置和速度而無需物理傳感器。這種無傳感器算法通過下面等式表示的電機(jī)回路模型推導(dǎo)出電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通量狀況?？刂破黩?qū)動(dòng)定子的電壓，同時(shí)電流重建回路檢測電機(jī)的總電流。對(duì)等式的各項(xiàng)進(jìn)行一個(gè)簡單的重新排列和數(shù)學(xué)合并就能夠產(chǎn)生sine和cosine項(xiàng)。一個(gè)相位鎖定的回路不斷跟蹤這個(gè)算法，推導(dǎo)出角度和速度，就類似于用在IC數(shù)字變換解碼器上的類型。 這種算法的第二個(gè)特點(diǎn)是相電流變送單元根據(jù)換流器直流鏈接的電流量來推算出電機(jī)的相電流。參見圖2的說明，對(duì)于任何一個(gè)運(yùn)行中的換流器單元來說，總有一個(gè)繞組被連接到一個(gè)總線導(dǎo)軌，同時(shí)有另外2個(gè)繞組被連接到其它總線導(dǎo)軌。這就是說每一個(gè)PWM循環(huán)都會(huì)有2個(gè)電機(jī)繞組的電流值可用。相電流變送單元包括一個(gè)根據(jù)SVPWM輸入運(yùn)行的采樣計(jì)時(shí)發(fā)生器、一個(gè)采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算三相電流的數(shù)學(xué)運(yùn)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傳感器算法在家用電器上的應(yīng)用具有更高的效/費(fèi)比。 無傳感器控制算法是一套應(yīng)用于家用電器電機(jī)控制的一體