無傳感器FOC提高電機控制的效率和成本效益

2013-10-17 11:23 來源:電子信息網(wǎng) 作者:洛小辰

對于該領域絕大多數(shù)的制造商來說,最優(yōu)先考慮的事項恐怕就是兩點:意識提高電器效率,二是降低可聞噪聲。通常,政府通過嚴格的法規(guī)來推動對效率的要求。然后,有一些消費者會愿意引領潮流,以相對較高的價格購買“更綠色”的電器。這驅(qū)使電器制造商研究相應的解決方案,解決效率和可聞噪聲方面的問題,同時讓增加的整體系統(tǒng)成本保持最低。例如,電器制造商希望設計出可以快速響應速度變化(包括洗滌和甩干兩個過程)的洗衣機。一些高級電機控制技術,如磁場定向控制(FOC),也稱為矢量控制,有助于設計出更加安靜節(jié)能的洗衣機。

據(jù)了解,通過利用Microchip的最新一代dsPICDSC系列,電器制造商可以設計出顯著節(jié)省用電和成本的電機系統(tǒng)。半導體技術的發(fā)展促進了數(shù)字信號控制器(DSC)和功率電子開關的產(chǎn)生,它們可以用于設計變速電機。實際上,得益于DSC高效而高成本效益的電機功率管理,電器不再需要局限于使用一些定制的硬件和控制技術。這是因為dsPICDSC上包含專用于電機控制應用的外設。這些外設包括電機控制脈寬調(diào)制(MCPWM)、高速ADC和可擴展閃存程序存儲器。此外,dsPIC DSC的DSP引擎還支持必需的快速數(shù)學運算,用于執(zhí)行需要大量計算的控制循環(huán)。本文將討論如何通過dsPICDSC使用FOC算法來控制洗衣機中的電機。在洗衣機中,dsPICDSC用作電機控制電路板上的信號控制器。用戶界面模塊可以采用8位單片機(MCU)進行處理,如Microchip的PIC16或PIC18系列MCU,可以針對三相感應電機(ACIM)、三相無刷直流(BLDC)電機或永磁同步電機(PMSM)分別實現(xiàn)FOC算法。由于構造方面的原因,PMSM電機的效率比ACIM電機高。以下將特別討論無傳感器FOC算法對于洗衣機中的PMSM電機是如何工作的。

下面將以FOC算法為中心進行講解。之所以使用FOC算法是因為傳統(tǒng)的BLDC電機控制方法以六步方式驅(qū)動定子,會導致輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩。在六步控制方式中,先對兩個繞組通電,直到轉(zhuǎn)子到達下一個位置,然后電機換向到下一步?;魻杺鞲衅饔糜诖_定轉(zhuǎn)子位置,以便對電機進行電子換向。高級無傳感器FOC算法使用定子繞組中產(chǎn)生的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子位置。六步控制(也稱為梯形控制)的動態(tài)響應本身就不適合用于洗衣機控制,因為一個洗滌周期中的負載會動態(tài)變化,并且實際負載還會因洗滌量和所選洗滌周期的不同而變化。此外,在前開式洗衣機中,當負載位于滾筒頂側(cè)時,電機負載要克服重力做功。只有高級算法(如FOC)可以處理這些動態(tài)負載變化。FOC算法會產(chǎn)生矢量形式的3相電壓,用于控制三相定子電流。通過使用Park和Clarke變換將物理電流變換為旋轉(zhuǎn)矢量,轉(zhuǎn)矩和磁通分量不會隨時間變化(時間不變性)——使得可以與直流電機一樣,使用諸如比例積分(PI)控制器之類的傳統(tǒng)技術來進行控制。根據(jù)設計,在有刷直流電機中,定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通之間的角度保持為90°,從而使電機產(chǎn)生可能的最大轉(zhuǎn)矩。通過使用FOC技術,電機電流變換為2軸矢量,就如直流電機中的電流。此過程的第一步是測量三相電機電流。在實際測量中,由于3個電流值的瞬時和為0,所以只需測量其中兩個電流,就可以確定第三個電流的值。此外,由于只需要兩個電流傳感器,因此還可以降低硬件成本。

目前了解到的,實現(xiàn)高效的無傳感器FOC算法的方法在于通過在電器設計中使用DSC,通過采用FOC,在PMSM電機應用中,可以實現(xiàn)高達95%的高效率。此外,由于FOC可以協(xié)助控制定子電流,從而極大地減少了轉(zhuǎn)矩紋波,所以可以設計出更安靜的洗衣機。這可以幫助節(jié)省用電,響應動態(tài)負載變化,同時降低可聞噪聲。



電機控制

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