基於電機控製的高效家電設計實現
發布時間:2014-09-15 責任編輯:stone
【導讀】事實上,采用最新的集成運轉控製平台,設計者甚至能夠為自己的設計選擇較小和較低成本的電機,而不會犧牲最終的性能。
xiyijihebingxiangdengjiadianzhizaoshangdoumianlinzhetigaochanpinxingnengyugongnengdeyali,tongshihaiyaojiangdizhengtinenghao。shejizheyaomanzuzhexiesihuxianghumaodundemubiao,tongshibuhuizhaozhimingxiandechengbensunshi,guanjianshishiyongzhenduikongzhijiadianzhongzhongdengguimodianjidexinjishu。shishishang,caiyongzuixindejichengyunzhuankongzhipingtai,shejizheshenzhinenggouweizijideshejixuanzejiaoxiaohejiaodichengbendedianji,erbuhuixishengzuizhongdexingneng。

圖1PM交流電機麵向現場無傳感器控製
家電電機控製
jiaoliuganyingdianjishiduoshujiadianyingyongzhongdianjideshouxuanmubiao。zhezhuyaoshiyouyutamenkeyizhijieyongjiaoliudianyunxing,erwuxuzengjiakongzhidianluhuozitaifankuichuanganqi。liru,bingxiangzhongdechuantongjiadiankongzhiqishiyigejiandandianlu,tadingqizhixingyasuojidekaijihetingji,yibaochimubiaoquyudewendu。
當係統開始運行時,壓縮機就連續運轉。一旦溫度到達了目標區,壓縮機便以低占空比運轉。當係統以低的開/關占空比運轉時,壓縮機在大部分時間裏都偏離最高效的工作點。改變壓縮機的轉速來匹配製冷負荷,可以減少 40% 的能耗,因為製冷係統能夠以更高占空比運行。
采用三相PM(永磁)電機,並將電機控製在變速運行狀態,就能進一步改進家電的效率。這類電機效率通常可高達 90%,與之相比,傳統的單相感應電機的效率為 70%。同時,這類電機還可以簡化速度控製和轉矩控製。
lingwai,youyuyougenggaodexiaolv,jiukeyicaiyongjiaoxiaodedianji,yincijiangdiledanweichengben,gengrongyizuojixiesheji。xianran,congzhexiedianjihuoquzuidaliyideguanjianjiuyoulaiyuqudongfangfadexuanze。yaozhunqueergaoxiaodiqudongbingxianghuoxiyijidengjiadianzhongdebiansudianji,zhongyaodeshinenggouhuodezhuanzizitaidexinxi。zuixianeryijiandefangshishicaiyongfujiadejianceyuanjian。danshi,zhehuitongshiyingxiangkekaoxinghechengben,shijishangshibuxianshidefangfa。yinci,shejizhezhengzaixunzhaowuchuanganqijishu。
無傳感器的變速電機控製
由於電機控製技術的進步,現在無需姿態傳感器也能實現高效率的三相PM電機交流傳動。圖1是這類係統的一個實例。圖中,右側是三相電源逆變器,它控製著從直流電源進入PM電機繞組的電流,同時空間矢量PWM單dan元yuan是shi功gong率lv晶jing體ti管guan計ji算suan時shi序xu信xin號hao,然ran後hou由you功gong率lv晶jing體ti管guan為wei電dian機ji提ti供gong三san相xiang正zheng弦xian波bo電dian壓ya。低di電dian壓ya控kong製zhi信xin號hao與yu連lian接jie到dao高gao電dian壓ya直zhi流liu總zong線xian功gong率lv開kai關guan之zhi間jian的de接jie口kou是shi一yi個ge HVIC(高壓柵極驅動 IC)。
這些 IC 比分立的柵極驅動電路或普通光電耦合、脈衝變壓器方案更強健和精致。最新的 HVIC 技術采用先進的混合信號半導體工藝,結合了低電壓輸入能力與高電壓驅動輸出和大量板載功能。

圖2MCE與同時集成的8051微控製器芯片上帶有A/D
如圖 1 所示,控製電路的關鍵是需要實現一個磁場定向控製(FOC)算法。這種算法通常用於工業傳動係統中,它計算提供所需速度和轉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於驅動電機磁鏈和轉矩的“準直流”(quasi DC)電流分量。這種變換包括作為轉子磁鏈角函數的一個向量旋轉(e-jq),以取得與轉子磁鏈相配合的一個電流分量(ID);還有一個產生電機轉矩的正交分量(IQ)。
電流反饋控製回路計算出兩個“準直流”的電壓分量VD和VQ,用於保持目標轉矩和磁鏈。第二個向量旋轉為脈衝寬度調製器計算出交流電壓基準。FOC算法的優勢在於,電機轉矩是IQ基準的一個線性函數,它產生一個簡單的線性速度控製規則。在PM電機情況下,控製器將磁鏈電流分量(ID)保持為零,從而實現運動係統效率的最大化。
采用這種算法的一個主要優點是,控製器能夠通過測量逆變器直流鏈接(隻用一個直流鏈接分流器為電機提供電流)中的電流,計算出轉子的位置。
估計轉子位置
使(shi)用(yong)轉(zhuan)子(zi)角(jiao)評(ping)估(gu)器(qi)電(dian)路(lu),通(tong)過(guo)下(xia)麵(mian)的(de)電(dian)機(ji)繞(rao)組(zu)電(dian)路(lu)方(fang)程(cheng),支(zhi)持(chi)無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)轉(zhuan)子(zi)姿(zi)態(tai)反(fan)饋(kui)。三(san)相(xiang)至(zhi)兩(liang)相(xiang)的(de)變(bian)換(huan)簡(jian)化(hua)了(le)計(ji)算(suan),並(bing)得(de)到(dao)兩(liang)個(ge)關(guan)係(xi),分(fen)別(bie)是(shi)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)鏈(lian)角(jiao)的(de)正(zheng)弦(xian)函(han)數(shu)和(he)餘(yu)弦(xian)函(han)數(shu)。

jiechuzhexiefangchengjidedaodianjidianliuyudianyadezhengxianhanshuheyuxianhanshu。fanzhengqiejisuankeyiquedingzhuanzijiao,danjiyuyixiawuchahanshudesuoxianghuanfangfagengweiqiangda,tanengchanshengyigefuchanpin,jiguolvdesuduceliangfa。
控(kong)製(zhi)器(qi)通(tong)過(guo)對(dui)直(zhi)流(liu)鏈(lian)並(bing)聯(lian)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)采(cai)樣(yang)電(dian)流(liu)以(yi)及(ji)功(gong)率(lv)逆(ni)變(bian)器(qi)開(kai)關(guan)的(de)時(shi)序(xu)作(zuo)同(tong)步(bu),重(zhong)建(jian)電(dian)機(ji)的(de)相(xiang)電(dian)流(liu)。如(ru)前(qian)所(suo)述(shu),上(shang)述(shu)方(fang)法(fa)的(de)一(yi)個(ge)顯(xian)著(zhu)優(you)點(dian)是(shi)電(dian)機(ji)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)取(qu)自(zi)單(dan)個(ge)直(zhi)流(liu)並(bing)聯(lian)電(dian)阻(zu),因(yin)此(ci)無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)姿(zi)態(tai)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)隔(ge)離(li)式(shi)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)。於(yu)是(shi)就(jiu)獲(huo)得(de)了(le)對(dui)家(jia)電(dian)PM交流電機具有成本效益的控製方法,大大提高了效率和性能。
實現無傳感器控製
雖然上述方法為電機控製提供了一種可靠、準確的方法,但它們也給設計工程師帶來了一個重大挑戰,尤其是在建立軟件編碼時。基於這個原因,國際整流器公司開發了iMOTION平台概念,它包含針對各種應用領域的集成電機控製係統,如家電。
iMOTION平台概念的核心是專用的運轉控製IC。這些 IC在單隻芯片內包含了兩個計算引擎,如圖 2 所示。第一個是運轉控製引擎(MCE),它包含了PM電機無傳感器控製所需的全部代碼;第二個是一隻8位高速微控製器。MCE包bao括kuo一yi係xi列lie硬ying件jian實shi現xian的de控kong製zhi元yuan件jian,設she計ji者zhe可ke以yi作zuo適shi當dang配pei置zhi,建jian立li針zhen對dui特te定ding應ying用yong的de運yun轉zhuan控kong製zhi算suan法fa。配pei置zhi工gong作zuo通tong過guo一yi個ge簡jian單dan易yi用yong的de圖tu形xing化hua編bian譯yi器qi完wan成cheng。
MCE中提供了FOC算法的關鍵部分,作為完整的預定控製塊。IC還包括一個ADC以及相應的算法,完全支持單一並聯電流重建。有了MCE處理運轉控製,8051微控製器就能自由地運行家電應用軟件,包括排序、用戶界麵、主機通信以及較高層的控製任務。MCE和8051MCU共同訪問雙口RAM,允許共享目標速度等設置點,並可在軟件控製下作調整。
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