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新型无传感器调速电机与变速电机控制技术及其在节能中应用

发布时间:2011-11-10     作者:吴康—艾伦通信工程有限公司      

摘要:本文介绍改善调速电机驱动效率与设计方法,并应用集成的无传感器调速电机的控制技术以及模块化技术实现减少成本达到节能与环保作分析说明。

  本文介绍改善调速电机驱动效率与设计方法,并应用集成的无传感器调速电机的控制技术以及模块化技术实现减少成本达到节能与环保作分析说明。
        无传感器调速电机与变速电机控制技术是节能的重要技术
  当今无传感器调速电机与变速电机控制技术均是新型的调速电机的控制技术,并且己逐步闻世于市,其替代低效率的电机可以节约能源达60%,它们是节能的重要技术。因调速电机的控制使其产生的声音和电气噪声更小并在较小的振动下工作,从而可以提高产品的可靠性并实现更精确的电机控制,使其更多的功能融入目标应用之中。
  当今在家庭中的冰箱、洗衣机和工厂用泵与风扇以及空调系统乃至压缩机电机等均有许多中小型电机,均需要有效地控制它们。之所以这样,其问题在于绝大多数这类电机都非但不高效,而且很浪费电动力。倘若,如对压缩机电机的变速迸行控制可以极大地降低峰值和平均能耗。
  为此必需须迫切需要找到改善调速电机驱动效率与设计方法,并应用集成的无传感器调速电机的控制技术,以模块化技术实现减少成本达到节能与环保所需之要求。这是为什么呐?回答此问题应从传统直驱永磁电机所面临的困惑论起。
  传统直驱调速永磁电机所面临的困惑
  值此以洗衣机用的直驱调速永磁电机为例作说明。应该说传统直驱永磁电机增加了电机设计的成本和控制的复杂性,这是为因?所谓控制的复杂性是指除了成本增加的重要因素外,主要是要求检测到电机转子位置的信息。而控制要求转子位置信息,虽然用了霍尔效应传感器,但霍尔效应传感器是由转子磁铁驱动的,以单向提供必要的反馈,但是弊端在于传统的梯形换流会产生切换点的扭矩跳动,并被外部转子结构放大这些跳动,导致噪声增大, 从而驱动扭距速度曲线不能很好匹配实际的洗涤应用,所以产生了要求低速率的高扭矩和非常高速度的低扭矩的难点。为此必须采用霍尔切换点之间插值的技术实现了正弦电流控制,它能降低声学噪声并实现高速低扭矩运行的平稳的扭矩,然而这霍尔传感器组件的现场可靠性仍是制造商的一个重要困惑,因这将给消费者带来增加维护成本。由此可知应用集成的无传感器调速电机的控制技术之必须了。
  数字控制变频永磁电机方案的应用

图1  所示为数字控制变频调速电机解决方案设计。  

        设计平台方案分析
  图1所示为数字控制变频调速电机解决方案设计平台,即用于调速电机的无传感器传器控制设计平台。该设计平台包括数字控制芯片和用于空调、洗衣机或水泵等专用设备的集成式电源模块。可以为设计人员提供一个集成的、系统级方法,实现、节能、变速正弦电流控制,而无需使用位置传感器。它为调速运动控制的设计提供了一个高效、降低噪声、快速响应及降低成本的理想平台。
  数字控制芯片的功能。数字控制IC集成了采用直流总线(DC Bus)电流测量的PMSM(调速永磁同步电机)无传感器速度控制所需的所有控制和模拟接口功能。该集成电路上的模拟功能包括差动放大器、双采样和保持电路www.cechina.cn,以及直流总线分流低电压信号采样所需的12位A/D转换器。该变频电源模块(集成功率模块)集成了带有六个IGBT开关的高压栅极动IC,也包括用于电机电流测量和电源模块保护的直流总线分流。电机控制算法采用数字控制IC的专用运动控制引擎(MCE)执行,而电机应用软件独立运行在集成在一起的8位处理器中。这个8位处理器是系统主处理器,管理着负载切换、速度分布和外部通信。
  无传感器电机控制技术的应用。无传感器的磁场定向控制(FOC)算法是在高端工业传动装置中常用于永磁交流电机控制的技术,可以仅根据电流测量实现高性价比的PMSM变速控制。该技术提供了很好的动态转矩控制,同时提高了电机的效率。电机电流是正弦波,因此转矩非常平滑,有效地降低了噪声和机械振动。应用PMSM变速控制功能需要采用某种控制方法来避免使用工业传动设备中经常使用的转子位置传感器。
  而数字控制芯片可以利用专用的运动控制处理器实现无传感器的FOC算法。运动控制引擎(MCE)里有一个定序器,用来链接MCE库中的电机控制ASIC函数。这种技术结合了可编程系统的灵活性和专用ASIC的速度与效率优势.控制芯片还集成有电机相位电流测量所需的模拟放大器和AD转换器。
  关于运动控制引擎(MCE)。MCE库包括PI补偿器、限制功能和矢量旋转等功能,这些普遍应用于电机控制算法。算法的定制使用图形编辑工具,无需软件编码。算法执行速度可能比RISC或DSP快一至两倍,因为如此多的时间控制计算都是使用数字控制器的专用硬件执行的。
  控制参数和系统变量存储在共享数据RAM当中,也可以由集成在—起的8位微控制器进行存取。这将有助于洗衣机应用软件轻松改变控制设定值,如目标速度或监视控制变量,如扭矩电流(1Q)。由于软件可以在独立的8位处理器上以C语言开发,开发应用提供了极大的方便。
  ●实用无传感器磁场定向控制(FOC)电机的芯片与应用

图2  为dsPIC数字信号控制器应用示意图。  

        因无传感器BlDC FOC电机控制技术是具有无需昂贵的传感器,改善调速电机驱动效率并有效减低噪声等优点,故己逐步被广泛采用.而其核心是数字控制芯片,值此以dsPIC数字信号控制器为例作介绍。
  dsPIC数字信号控制器(DSC)使得向嵌入式电机控制设计添加数字信号处理功能的过程变得简单而直接。dsPIC DSC将DSP的计算和吞吐能力融合到了高性能的16位闪存单片机中,它们具有两个40位累加器和一个单周期16x16 MAC,能够实现双操作数取操作等功能。其运行性能最高可达40MIPS,具有先进的片上外设设。图2为dsPIC数字信号控制器应用示意图。
  能实现高能效电器设备的变速电机控制芯片与应用
  除了无传感器电机控制技术与芯片外还有能实现高能效电器设备的变速电机控制芯片可应用,值此对具备峰值输出功率特性的离线式开关PeakSwitch (36W/72W)器件PKS606Y型的应用及CiPOS 600v/8-22A控制集成功率系统二种节能典例阐述。
  PeakSwitch 36W (72W峰值)器件
  PKS606Y型在变速直流电机驱动中的应用
  设计方案分析。器件PKS606Y 输出功率36W(72W峰值)  输入电压 90-265 VAC 输出电压12V 拓扑结构为反激式. 它以一个简单的单级电路来替代一个两级的线性电源及断路器设计。省去了常用作直流电机变速控制器的电路,其电机速度由一个小的电位器或一个3.6V到10V的可变直流电压控制.使用元件数量最小,只有47个元件.而效率≥77%(36W负载时),可满足EN55022B传导EMI的限制控制工程网版权所有,其ON/OFF控制模式在整个电机速度(输出电压)范围内保持稳定。


图3  为PKS606Y在变速直流电机驱动中的应用的设计方案示意图。

        工作方式。图3所示反激转变器使用一个器件U1 (PKS606Y)驱动一个35V的电机,同时在启动和负载跳变时输出75W峰值功率.有二种方法可改变电机的速度:其一、使用电位器R20(连接到J3);其二、使用外部一个3.6V—10V直流电压源((连接到J4), 电机速度控制通过改变电源的输出电压来实现。
  U1内部的控制从输出接受反馈来开通或关断它内部集成的MOSFET.。通过关断或跳过开关周期迸行输出稳压.,输出电压通过稳压管VR2和U2的LED(和R13并联)来检测。当输出电压上升高过VR2的导通门槛时,电流流过U2  LED,开通Q3www.cechina.cn, Q3从U1的EN/UV脚拉出电流时,开关周期被跳过,很少的能量被传送到输出.一旦输出电压下降, 开关周期再一次使能.
  变压器偏置绕组(T1引脚4和5)经DT、C6整流滤波www.cechina.cn,通过RT给U1提供控操作电流。由D5、C7、R5和R6组成的智能交流检测电路使能U1的欠压锁存(UVLO)和锁存关断功能.。T1里面的屏蔽绕组和横垮T1的两个小Y电容(C10、C19)一起减少传导EMI的产生,因此在输入端用单个共模电感(L1)、一个小X电容(C3)和二个小Y电容(C1、C2)的就能满足.  EN55022B的限制并有12dBμV的裕量,合成RCD齐纳管箝位(R3、C5、D6和VR1)将漏极电压尖峰控制在内部集成MOSFET的700V额定电压之下。
  如果去掉JP3、外部可变电阻(R20),可以通过调节R12两端的电压来调节输出电压,外部电机调速电压(3.6V—10V)通过R12和VR2的节点电压,来有效地调节输出电压.如果外加调节电压低于3.6V左右,二极管D12阻止反向电流流过R19。
  CiPOS 600v/8-22A控制集成功率系统


图4  为CiPOS 600v/8-22A控制集成功率系统结构成方框图。  

        全新CiPOS 模块系列在一个封装内集成多个功率和控制组件,提高了设计的可靠性,优化了PCB尺寸和系统成本。图4为CiPOS 600v/8-22A控制集成功率系统结构成方框图。
  其主要特性:完全绝缘封装,有优良的热阻水平Rth=3K/w;TrenchStop IGBT具备最低饱和电压:VCEsat=1.5V;可靠的SOI门极驱动器技术,能抗瞬态负电压:-50V≤Vs≤600V;全面保护(欠压锁定、过温保护、过流保护和直通互锁功能);发射极开路供测量桥臂电流。
  该模块可用于洗衣机、空调、压缩机或吸尘器等设备中的交流电机的变频调速驱动,其封装理念适用于需要具有优越热传导及电磁干扰安全控制及过载保护功能的功率转换应用之中。
  文章编号:1109-12
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(本文在CONTROL ENGINEERING 美国网站的链接如下:

http://www.controleng.com/single-article/energy-efficient-sensorless-motor-control-variable-speed-motor-control/751e37974c.html)


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