無傳感器控制使能高效永磁電機的低成本控制

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作者：Aengus Murray,國際整流器（IR）公司市場總監時間：2006-11-02 來源：控制工程

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降低能源消耗現在已經成為世界各國政府的主要關心。電能的生產消耗了大量的煤炭和石油，同時還產生了加速全球變暖過程的大量二氧化碳排放。即使是用來發電的清潔能量源－例如水力發電、風力發電－也各有其相應的環境影響。不斷增加的電力需求還要求對發電廠和輸電線路進行巨大的投資。正是基于以上原因，包括中國、韓國、日本、美國、歐洲在內的許多國家和地區的政府都在不斷提高對家庭用戶和商業用戶的能源節約標準。在上個世紀初，當商業化輸配電第一次成為可能的時候，電力在家庭當中的用途僅僅局限于照明。然而在現代家庭當中，目前照明所消耗的電力僅占10％，諸如電風扇、空氣調節系統、電冰箱、洗衣機等家用電器以及各種娛樂設施－例如電視機、音像系統等－已經取而代之成為家庭當中的主要電力消耗者。

在諸如電風扇、空氣調節系統、電冰箱等家用電器里面，電動馬達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低的，但是它們連續不斷的運行，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。諸如電風扇、水泵等小型家用電器通常采用單相屏蔽極式電機或者永久電容感應式電機，這類電機的效率只能達到25％。如果綜合考慮電機效率造成的能量損失和發電以及輸電過程的能量損失，其結果是非常驚人的。一臺效率為25％的小風扇電機需要消耗120瓦的電能，其中只有30瓦的能量變成了扇葉轉動的機械能輸出。如果我們現在假設電力傳送過程當中的能量損失為7％，一座現代化火力發電廠的發電效率為35％，那么熱能消耗為370焦耳/秒。這就是說浪費在火力發電廠、電力輸送電纜和電機上的能量比轉動風扇葉片的能量多11倍。用于空氣調節系統、電冰箱壓縮機等家用電器的大型單相感應電機的效率會略高一點，通常能夠超過65％。這樣就能夠把能量損失系數降低到4以下。但是壓縮機在通常的運行循環模式和停止模式當中的負荷是非常低的，因為只有在空氣調節系統、電冰箱等電器被開動的時候才會需要比較大的制冷功率。大量的能量損失發生在壓縮機的啟動階段，這部分能量損失在一臺以固定速度運行的壓縮機所消耗的總能量當中占了很大一部分。有關研究表明：使用一臺變速壓縮機能夠把平均能量消耗降低40％。這種提高是完全有可能實現的，因為壓縮機的運行速度較好的與制冷的要求相匹配，這樣壓縮機就可以處于負荷較高的狀態下，使其運行于高效率操作點的時間較長。

無傳感器pm控制算法
圖1：無傳感器PM控制算法

在過去的十幾年中，日本的制造商采用可變速永磁體電機不斷提高家用電器的效率。其中的控制系統使用一種電功率變換器來改變電機繞組電壓的頻率從而改變電機的轉速。在有些家用電器當中（例如電風扇），他們使用霍爾傳感器來探測轉子的位置，將繞組的切換同轉子磁體的位置同步起來從而盡量提高效率，同時還可以簡化啟動過程。這種方法的優點是只需要非常簡單的電子回路就可以實現控制要求。但是一臺密封的壓縮機是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步永磁體電機驅動系統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子的位置。這種控制算法通常使用一個8位的微處理器來管理相位超前和啟動順序。這種6步系統有一個缺點，當電機的電流在繞組之間切換（變換電流方向）的時候會產生一種扭矩干擾。在許多風扇和水泵的應用當中這種扭矩干擾會產生一種煩人的噪音，尤其是在低速時，而這時風扇葉片幾乎不發出聲音。為了有助于減輕這種噪音，這種電機的轉子配置了表面安裝的磁體來降低繞組的感應系數，同時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動電機，這樣可以完全消除這類扭矩干擾。這種類型的控制還使應用另一種采用內置永磁體（IPM）設計的電機成為可能。這種內置永磁體（IPM）設計的電機能夠產生比永磁體電機多15%的扭矩，還具有進一步提高效率的潛力。IPM設計的壓縮機電機的效率可以超過90％，與單相感應電機65％的效率相比極大的減少了能量浪費。也就是說一臺采用3kW單相感應電機的壓縮機如果使用IPM電機將只需要1.75kW。

最近在電子技術硬件和控制技術方面取得的進展使得為IPM電機制造具有更高效費比的驅動設備成為可能。為了以正弦電流驅動IPM電機，最大程度的提高驅動效率、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電機的電流測量就能檢測電機轉子的位置。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測電機繞組的電流。下一節將會介紹這種無傳感器控制算法和在永磁體交流電機上進行正弦控制的電流傳感器硬件。這種算法使得壓縮機可以使用高效率的IPM電機，并且使采用表面安裝磁體電機或IPM電機的風扇可以取消霍爾傳感器。

無傳感器控制算法

圖1當中的控制算法包含了在無傳感器的情況下用正弦電流驅動一臺IPM電機或者表面安裝磁體電機所需要的所有控制功能。這種算法的一個關鍵要素是一種使用了矢量旋轉模塊(e-j)的場定向控制結構，這種場定向控制結構同時還可以將交流的電機繞組電流轉換成2路直流電流分量，一路用來產生扭矩，另一路用來控制磁通量。輸入給旋轉模塊的電流最初采用Clarke變換模塊從3相變換為等值的2相電流。轉子磁通量角使電流分割成D分量，D分量與磁通量結合到一起。Q分量用來產生扭矩。2個電流控制PI補償器的整定與電機繞組的RL時間常數相互匹配并且無需隨著交流繞組電流頻率的改變而改變。前向矢量旋轉模塊(ej)將PI補償器的直流電壓輸出轉換成與轉子頻率相符的交流電壓。空間矢量PWM單元根據計算出來的交流電壓要求計算功率轉換二極管的切換時間。空間矢量調制自動加入3階諧波來產生正弦電壓調制，最大限度的利用直流總線上的電壓。其中還包括了一種2相調制功能，可以盡量降低功率轉換器的切換損失。

三相電流變送器

最大限度的提高每安培電流的電機扭矩輸出，使電機的效率最高。對于表面安裝磁體電機來說，就是控制器將電流（ID）的磁通量分量保持在0水平來使電機效率最高。但是由于IPM電機特別的轉子結構，一臺IPM電機會產生一個被稱為磁阻扭矩的附加扭矩分量。在驅動一臺IPM電機的時候，IPM控制模塊會將ID電流從0開始增加，這是IQ目標的一個功能，目的是讓電機運行在效率最高的工作點。在任何的情況下，速度回路補償器都會計算將速度維持在目標值所需要的扭矩電流。在有些應用當中，例如洗衣機，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加入負磁通量電流（ID）來降低電機的有效反電動勢，并且在反電動勢達到直流總線電壓限制之前允許電機運行在比較高的轉速下。

目前有許多工業驅動系統使用這里介紹的算法結構，但是這種算法結構要求電機具備解碼器或是編碼器反饋。這種算法結構具有一個獨特的特點，就是它能夠通過電機繞組電流來推算出轉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回路模型推導出電機轉子的磁通量狀況。控制器驅動定子的電壓，同時電流重建回路檢測電機的總電流。對等式的各項進行一個簡單的重新排列和數學合并就能夠產生sine和cosine項。一個相位鎖定的回路不斷跟蹤這個算法，推導出角度和速度，就類似于用在IC數字變換解碼器上的類型。

這種算法的第二個特點是相電流變送單元根據換流器直流鏈接的電流量來推算出電機的相電流。參見圖2的說明，對于任何一個運行中的換流器單元來說，總有一個繞組被連接到一個總線導軌，同時有另外2個繞組被連接到其它總線導軌。這就是說每一個PWM循環都會有2個電機繞組的電流值可用。相電流變送單元包括一個根據SVPWM輸入運行的采樣計時發生器、一個采樣模/數轉換器和計算三相電流的數學運算單元。這種方式的明顯優點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用具有更高的效/費比。

無傳感器控制算法是一套應用于家用電器電機控制的一體化設計平臺的一個組成部分。一個混合的信號控制IC能夠以硬件方式執行這種算法，不需要進行任何復雜冗長而且很容易出錯的軟件開發。這個IC集成了電流測量所需的模/數轉換器和緩沖放大器。你可以在圖1中看到包括故障檢測功能和開車順序的附加硬件功能。最后，這個控制IC還集成了一個自帶內存的8位微處理器內核用來執行家用電器工程師規定的其它應用功能。