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本文介紹改善調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率與設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用集成的無傳感器調(diào)速電機(jī)的控制技術(shù)以及模塊化技術(shù)實(shí)現(xiàn)減少成本達(dá)到節(jié)能與環(huán)保作分析說明。
無傳感器調(diào)速電機(jī)與變速電機(jī)控制技術(shù)是節(jié)能的重要技術(shù)
當(dāng)今無傳感器調(diào)速電機(jī)與變速電機(jī)控制技術(shù)均是新型的調(diào)速電機(jī)的控制技術(shù)，并且己逐步聞世于市，其替代低效率的電機(jī)可以節(jié)約能源達(dá)60％，它們是節(jié)能的重要技術(shù)。因調(diào)速電機(jī)的控制使其產(chǎn)生的聲音和電氣噪聲更小并在較小的振動(dòng)下工作，從而可以提高產(chǎn)品的可靠性并實(shí)現(xiàn)更精確的電機(jī)控制，使其更多的功能融入目標(biāo)應(yīng)用之中。
當(dāng)今在家庭中的冰箱、洗衣機(jī)和工廠用泵與風(fēng)扇以及空調(diào)系統(tǒng)乃至壓縮機(jī)電機(jī)等均有許多中小型電機(jī),均需要有效地控制它們。之所以這樣,其問題在于絕大多數(shù)這類電機(jī)都非但不高效，而且很浪費(fèi)電動(dòng)力。倘若，如對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)的變速迸行控制可以極大地降低峰值和平均能耗。
為此必需須迫切需要找到改善調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率與設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用集成的無傳感器調(diào)速電機(jī)的控制技術(shù),以模塊化技術(shù)實(shí)現(xiàn)減少成本達(dá)到節(jié)能與環(huán)保所需之要求。這是為什么吶？回答此問題應(yīng)從傳統(tǒng)直驅(qū)永磁電機(jī)所面臨的困惑論起。
傳統(tǒng)直驅(qū)調(diào)速永磁電機(jī)所面臨的困惑
值此以洗衣機(jī)用的直驅(qū)調(diào)速永磁電機(jī)為例作說明。應(yīng)該說傳統(tǒng)直驅(qū)永磁電機(jī)增加了電機(jī)設(shè)計(jì)的成本和控制的復(fù)雜性，這是為因？所謂控制的復(fù)雜性是指除了成本增加的重要因素外，主要是要求檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的信息。而控制要求轉(zhuǎn)子位置信息，雖然用了霍爾效應(yīng)傳感器,但霍爾效應(yīng)傳感器是由轉(zhuǎn)子磁鐵驅(qū)動(dòng)的，以單向提供必要的反饋，但是弊端在于傳統(tǒng)的梯形換流會(huì)產(chǎn)生切換點(diǎn)的扭矩跳動(dòng)，并被外部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)放大這些跳動(dòng),導(dǎo)致噪聲增大, 從而驅(qū)動(dòng)扭距速度曲線不能很好匹配實(shí)際的洗滌應(yīng)用,所以產(chǎn)生了要求低速率的高扭矩和非常高速度的低扭矩的難點(diǎn)。為此必須采用霍爾切換點(diǎn)之間插值的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了正弦電流控制，它能降低聲學(xué)噪聲并實(shí)現(xiàn)高速低扭矩運(yùn)行的平穩(wěn)的扭矩，然而這霍爾傳感器組件的現(xiàn)場(chǎng)可靠性仍是制造商的一個(gè)重要困惑，因這將給消費(fèi)者帶來增加維護(hù)成本。由此可知應(yīng)用集成的無傳感器調(diào)速電機(jī)的控制技術(shù)之必須了。
數(shù)字控制變頻永磁電機(jī)方案的應(yīng)用
圖1 所示為數(shù)字控制變頻調(diào)速電機(jī)解決方案設(shè)計(jì)。
●設(shè)計(jì)平臺(tái)方案分析
圖1所示為數(shù)字控制變頻調(diào)速電機(jī)解決方案設(shè)計(jì)平臺(tái)，即用于調(diào)速電機(jī)的無傳感器傳器控制設(shè)計(jì)平臺(tái)。該設(shè)計(jì)平臺(tái)包括數(shù)字控制芯片和用于空調(diào)、洗衣機(jī)或水泵等專用設(shè)備的集成式電源模塊?？梢詾樵O(shè)計(jì)人員提供一個(gè)集成的、系統(tǒng)級(jí)方法，實(shí)現(xiàn)、節(jié)能、變速正弦電流控制，而無需使用位置傳感器。它為調(diào)速運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)高效、降低噪聲、快速響應(yīng)及降低成本的理想平臺(tái)。
數(shù)字控制芯片的功能。數(shù)字控制IC集成了采用直流總線（DC Bus）電流測(cè)量的PMSM(調(diào)速永磁同步電機(jī))無傳感器速度控制所需的所有控制和模擬接口功能。該集成電路上的模擬功能包括差動(dòng)放大器、雙采樣和保持電路，以及直流總線分流低電壓信號(hào)采樣所需的12位A/D轉(zhuǎn)換器。該變頻電源模塊(集成功率模塊)集成了帶有六個(gè)IGBT開關(guān)的高壓柵極動(dòng)IC,也包括用于電機(jī)電流測(cè)量和電源模塊保護(hù)的直流總線分流。電機(jī)控制算法采用數(shù)字控制IC的專用運(yùn)動(dòng)控制引擎(MCE)執(zhí)行，而電機(jī)應(yīng)用軟件獨(dú)立運(yùn)行在集成在一起的8位處理器中。這個(gè)8位處理器是系統(tǒng)主處理器，管理著負(fù)載切換、速度分布和外部通信。
無傳感器電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用。無傳感器的磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法是在高端工業(yè)傳動(dòng)裝置中常用于永磁交流電機(jī)控制的技術(shù)，可以僅根據(jù)電流測(cè)量實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的PMSM變速控制。該技術(shù)提供了很好的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制，同時(shí)提高了電機(jī)的效率。電機(jī)電流是正弦波，因此轉(zhuǎn)矩非常平滑，有效地降低了噪聲和機(jī)械振動(dòng)。應(yīng)用PMSM變速控制功能需要采用某種控制方法來避免使用工業(yè)傳動(dòng)設(shè)備中經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)子位置傳感器。
而數(shù)字控制芯片可以利用專用的運(yùn)動(dòng)控制處理器實(shí)現(xiàn)無傳感器的FOC算法。運(yùn)動(dòng)控制引擎(MCE)里有一個(gè)定序器，用來鏈接MCE庫中的電機(jī)控制ASIC函數(shù)。這種技術(shù)結(jié)合了可編程系統(tǒng)的靈活性和專用ASIC的速度與效率優(yōu)勢(shì).控制芯片還集成有電機(jī)相位電流測(cè)量所需的模擬放大器和AD轉(zhuǎn)換器。
關(guān)于運(yùn)動(dòng)控制引擎(MCE)。MCE庫包括PI補(bǔ)償器、限制功能和矢量旋轉(zhuǎn)等功能，這些普遍應(yīng)用于電機(jī)控制算法。算法的定制使用圖形編輯工具，無需軟件編碼。算法執(zhí)行速度可能比RISC或DSP快一至兩倍，因?yàn)槿绱硕嗟臅r(shí)間控制計(jì)算都是使用數(shù)字控制器的專用硬件執(zhí)行的。
控制參數(shù)和系統(tǒng)變量存儲(chǔ)在共享數(shù)據(jù)RAM當(dāng)中，也可以由集成在—起的8位微控制器進(jìn)行存取。這將有助于洗衣機(jī)應(yīng)用軟件輕松改變控制設(shè)定值，如目標(biāo)速度或監(jiān)視控制變量，如扭矩電流(1Q)。由于軟件可以在獨(dú)立的8位處理器上以C語言開發(fā)，開發(fā)應(yīng)用提供了極大的方便。
●實(shí)用無傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）電機(jī)的芯片與應(yīng)用
圖2 為dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器應(yīng)用示意圖。
因無傳感器BlDC FOC電機(jī)控制技術(shù)是具有無需昂貴的傳感器，改善調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率并有效減低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，故己逐步被廣泛采用.而其核心是數(shù)字控制芯片，值此以dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器為例作介紹。
dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)使得向嵌入式電機(jī)控制設(shè)計(jì)添加數(shù)字信號(hào)處理功能的過程變得簡(jiǎn)單而直接。dsPIC DSC將DSP的計(jì)算和吞吐能力融合到了高性能的16位閃存單片機(jī)中，它們具有兩個(gè)40位累加器和一個(gè)單周期16x16 MAC，能夠?qū)崿F(xiàn)雙操作數(shù)取操作等功能。其運(yùn)行性能最高可達(dá)40MIPS，具有先進(jìn)的片上外設(shè)設(shè)。圖2為dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器應(yīng)用示意圖。
能實(shí)現(xiàn)高能效電器設(shè)備的變速電機(jī)控制芯片與應(yīng)用
除了無傳感器電機(jī)控制技術(shù)與芯片外還有能實(shí)現(xiàn)高能效電器設(shè)備的變速電機(jī)控制芯片可應(yīng)用，值此對(duì)具備峰值輸出功率特性的離線式開關(guān)PeakSwitch （36W/72W）器件PKS606Y型的應(yīng)用及CiPOS 600v/8-22A控制集成功率系統(tǒng)二種節(jié)能典例闡述。
●PeakSwitch 36W (72W峰值)器件
PKS606Y型在變速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用
設(shè)計(jì)方案分析。器件PKS606Y 輸出功率36W(72W峰值) 輸入電壓 90-265 VAC 輸出電壓12V 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為反激式. 它以一個(gè)簡(jiǎn)單的單級(jí)電路來替代一個(gè)兩級(jí)的線性電源及斷路器設(shè)計(jì)。省去了常用作直流電機(jī)變速控制器的電路,其電機(jī)速度由一個(gè)小的電位器或一個(gè)3.6V到10V的可變直流電壓控制.使用元件數(shù)量最小,只有47個(gè)元件.而效率≥77%(36W負(fù)載時(shí))，可滿足EN55022B傳導(dǎo)EMI的限制,其ON/OFF控制模式在整個(gè)電機(jī)速度(輸出電壓)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。
圖3 為PKS606Y在變速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案示意圖。
工作方式。圖3所示反激轉(zhuǎn)變器使用一個(gè)器件U1 （PKS606Y）驅(qū)動(dòng)一個(gè)35V的電機(jī)，同時(shí)在啟動(dòng)和負(fù)載跳變時(shí)輸出75W峰值功率.有二種方法可改變電機(jī)的速度：其一、使用電位器R20(連接到J3)；其二、使用外部一個(gè)3.6V—10V直流電壓源((連接到J4), 電機(jī)速度控制通過改變電源的輸出電壓來實(shí)現(xiàn)。
U1內(nèi)部的控制從輸出接受反饋來開通或關(guān)斷它內(nèi)部集成的MOSFET.。通過關(guān)斷或跳過開關(guān)周期迸行輸出穩(wěn)壓.，輸出電壓通過穩(wěn)壓管VR2和U2的LED(和R13并聯(lián))來檢測(cè)。當(dāng)輸出電壓上升高過VR2的導(dǎo)通門檻時(shí),電流流過U2 LED,開通Q3, Q3從U1的EN/UV腳拉出電流時(shí),開關(guān)周期被跳過,很少的能量被傳送到輸出.一旦輸出電壓下降, 開關(guān)周期再一次使能.
變壓器偏置繞組(T1引腳4和5)經(jīng)DT、C6整流濾波,通過RT給U1提供控操作電流。由D5、C7、R5和R6組成的智能交流檢測(cè)電路使能U1的欠壓鎖存(UVLO)和鎖存關(guān)斷功能.。T1里面的屏蔽繞組和橫垮T1的兩個(gè)小Y電容(C10、C19)一起減少傳導(dǎo)EMI的產(chǎn)生，因此在輸入端用單個(gè)共模電感(L1)、一個(gè)小X電容(C3)和二個(gè)小Y電容(C1、C2)的就能滿足. EN55022B的限制并有12dBμV的裕量,合成RCD齊納管箝位(R3、C5、D6和VR1)將漏極電壓尖峰控制在內(nèi)部集成MOSFET的700V額定電壓之下。
如果去掉JP3、外部可變電阻(R20),可以通過調(diào)節(jié)R12兩端的電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓,外部電機(jī)調(diào)速電壓(3.6V—10V)通過R12和VR2的節(jié)點(diǎn)電壓,來有效地調(diào)節(jié)輸出電壓.如果外加調(diào)節(jié)電壓低于3.6V左右,二極管D12阻止反向電流流過R19。
●CiPOS 600v/8-22A控制集成功率系統(tǒng)
圖4 為CiPOS 600v/8-22A控制集成功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成方框圖。
全新CiPOS 模塊系列在一個(gè)封裝內(nèi)集成多個(gè)功率和控制組件，提高了設(shè)計(jì)的可靠性，優(yōu)化了PCB尺寸和系統(tǒng)成本。圖4為CiPOS 600v/8-22A控制集成功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成方框圖。
其主要特性：完全絕緣封裝，有優(yōu)良的熱阻水平Rth=3K/w；TrenchStop IGBT具備最低飽和電壓：VCEsat=1.5V；可靠的SOI門極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，能抗瞬態(tài)負(fù)電壓：-50V≤Vs≤600V；全面保護(hù)(欠壓鎖定、過溫保護(hù)、過流保護(hù)和直通互鎖功能)；發(fā)射極開路供測(cè)量橋臂電流。
該模塊可用于洗衣機(jī)、空調(diào)、壓縮機(jī)或吸塵器等設(shè)備中的交流電機(jī)的變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，其封裝理念適用于需要具有優(yōu)越熱傳導(dǎo)及電磁干擾安全控制及過載保護(hù)功能的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用之中。
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