家用電器中的無傳感器AC電機控制原理

全世界對水和能源保護，以及對新產品和服務的總體環保性的關注無疑影響著家用電器市場。實際監管標準和建議，無論是一國性的還是多國性的(EU標準)，都對新一代家用電器，特別是洗衣機、烘干機、洗碗機和電冰箱提出了一些基本要求。為了滿足這些要求同時降低系統成本，必須部署配備有適當軟件的增強型微控制器。

采用可變速度電機驅動讓制造商有機會使用更精密的控制程序，這將增強設備性能，提高總體能效。因此，配備了可變速度驅動和智能控制的家用電器勝過了那些配備無控制的、固定速度電機驅動的家用電器。

對于家用電器行業的制造商來說，我們建議采用基于數字信號控制器(DSC)的解決方案，它將數字信號處理器的處理能力與微控制器的功能和易用性融入一粒芯片。一套靈活的外設能夠讓制造商實現眾多功能，例如標準電機驅動算法、高級控制算法、精密反饋信號傳感、功率因數校正方案、與外部環境的通信等等。

由于將電機速度固定在預先設定的水平上或直接從AC主電源運行電機，家用電器中大多數電機驅動的控制都非常簡單，無需額外控制電子。之所以交流干線供電單相感應電機(ACIM)被廣泛采用，是因為它的低成本、強勁性和可靠性。然而，ACIM解決方案也有明顯的缺陷，如效率低、有效速度控制較弱等，這阻礙了旨在增強產品靈活性、滿足監管要求以及客戶預期的控制改進控制。與單相ACIM相比，可變速度驅動通過保持扭矩控制，滿足了能效要求，從而提高了設備總體效率。

AC電機選擇

可以驅動家用電器的電機有不同類別，如ACIM、永磁(PM)電機或開關磁阻(SR)電機。電子驅動效率和電動機效率產品決定系統總能效。

?一般而言，要用ACIM實現可變速度，需要為其供應可變頻率和電壓，這被稱為恒定電壓/頻率控制。采用矢量控制，ACIM速度驅動效率可以進一步提高。這要求與轉輪連接的速度或位置傳感器傳感準確的速率信息，但增加傳感器、連接器和相應布線會增加成本。

PM電機采用永磁建立通量，而不是從定子繞組建立。用永磁代替電磁激振有幾個優勢，最明顯的優勢是沒有激振損耗，這意味著PM電機比DC電機具有更高的功率密度。PM電機沒有機械轉向器，而且由于沒有通量導向電流，功率密度也超過AC感應電機。總體效率接近90%，而單相ACIM效率只有大約70%。對家用電器來說，永久激振同步電機是極具吸引力的解決方案，但它們不能通過將AC電源應用于定子繞組運行。

如果能夠控制電動機，優化供應能源，總體電子功耗最多可降低30%。可變速度驅動的控制器實際上是通過調節供應給電機的電源頻率，控制AC電動機的轉速。電子可變速度驅動能夠讓電動機在其全速范圍內持續運行。可變速度驅動的整個系統包括EMI過濾器、輸入整流器、板上DC電源、DSC、信號調節電路、功率逆變器和柵極驅動器。

電機控制策略

開放回路標量控制是可變速度驅動最流行的控制策略，主要與ACIM一起使用。標量控制基于供應電壓頻率的變化。電壓波動幅度與電壓頻率成比例，并隨著頻率變化而變化。這種方法要求可以由8位微控制器進行處理的適度計算功率。

這種簡便方法的最大優點是它是一種無傳感器模式，控制算法不需要角速度或實際轉子位置信息。然而，速度取決于外部負載扭矩是一個明顯的缺點，會導致動態性能的降低。正因為此，標量控制下的電動機必須超過標準尺寸，以便提供負載瞬變所需的扭矩。此外，標量方法還會導致系統效率低下、公用設施網絡中的功率因數退化和運行嘈雜。在該控制方法中，能效可以降到理論最大值的50%。基于電機型號的方法估算進行機器的電氣位置信息編碼的電動勢。

然而，市場需求要求盡可能高的動態性能和操作速度范圍。作為電氣驅動的創新方法，AC機器的矢量控制(磁場定向控制)較之標量控制具有非常好的性能。矢量控制消除了恒定電壓/頻率控制的多數缺點。

在矢量控制系統內，同步幀電流調節器已經成為逆變器電流調節的行業標準。反向Park參考幀轉換功能計算與轉子磁場同步的參考幀內部的定子電流和電壓。當在旋轉參考幀中觀察時，所有電氣變量都有DC穩定狀態值，使簡單PI調節器能夠提供零穩定狀態誤差。除此之外，還可以設置調節系統，將電流矢量分解為磁場發生器和扭矩發生器。

內部電流回路計算創建理想扭矩和通量電流所需的直接和正交定子電壓。Park功能將這些電壓轉換成固定參考幀中的三相AC定子電壓需求。電機電流呈正弦曲線，因此產生平滑扭矩，最大限度地減少了噪音和機械振動。外部速度回路調節所采用的扭矩幅度，與正交扭矩電流成正比，能夠保持必要角速度。為了把操作速度范圍有效地提高到基本速度以上，我們又增加了一條通量弱化回路，處理定向定子通量電流。

無傳感器控制

要想在矢量控制模式中運行AC電機，重要的是同步應用電壓的頻率和來自轉子中的永磁轉子通量位置。這樣就產生了無傳感器操作模式，其中，速度和位置算法取代了傳感器。AC PM電機的無傳感器控制方法是一種創新電機驅動功能，提高了可靠性，維持了高性能水平，而無需額外成本。該系統更精確、更有效、體積更小、重量更輕、噪音更小，以更低的成本實現了更先進的功能。無傳感器算法可以大體上分為兩大類，一類使用磁鐵轉子凸極性跟蹤轉子位置，另一類從計算出來的電機模型中估算轉子位置。

在電冰箱中，傳統控制打開和關閉壓縮機，把溫度維持在預定范圍內。有了無傳感器PM電機控制，控制器可以在幾秒鐘內把壓縮機加速到目標速度，并可以在目標速度的1%范圍內調節速度。壓縮機的平滑運行減少了噪音，更低的運行速度有助于最大限度地減少冷藏室的溫度循環，從而提高總體效率。

通常，洗衣機運行在兩個基本循環中，即滾筒洗和甩干。在滾筒洗循環中，電機驅動以高扭矩低速運行。在甩干循環中，電機驅動在短時間內高速運行。在新型號中，估計的速度波動和計算出來的負載扭矩提供有關洗滌負載分布的寶貴信息。速度波動用來在啟動旋轉循環前，估計負載不平衡。可變速度電機可以用于調節滾筒旋轉速度和方向，重新分布衣物，糾正不平衡。

飛思卡爾的56800E內核就是這種特殊應用的理想解決方案。它能夠處理所有電機控制功能，包括空間矢量調制、矢量控制、電流、通量和速度回路控制。通過消除我們在早期設計中發現的很多離散組件，數字控制提高了驅動可靠性，促進了高級算法，實現了最佳電機性能。

結論

人們普遍認為，家用電器需求驅動著技術的進步，反過來又推動著下一代產品的生產。在響應這一趨勢的過程中，具有無傳感器功能的矢量控制是用于該目的的一種方法，因為它不再需要機械傳感器，是一種經濟高效的解決方案。如此嚴苛的控制方法可以采用基于飛思卡爾56800E內核的低成本DSC實現，56800E內核集MCU和DSP的功能于一身。MC56F80xx設備在設計時注重電機控制應用，現在正被集成到眾多家用電器產品設計中，特別是在各國對功耗的規定都非常嚴格的情況下