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无传感器控制使能高效永磁电机的低成本控制

作者:Aengus Murray,国际整流器(IR)公司市场总监2006.10.30阅读 2466

  降低能源消耗现在已经成为世界各国政府的主要关心。电能的生产消耗了大量的煤炭和石油,同时还产生了加速全球变暖过程的大量二氧化碳排放。即使是用来发电的清洁能量源-例如水力发电、风力发电-也各有其相应的环境影响。不断增加的电力需求还要求对发电厂和输电线路进行巨大的投资。正是基于以上原因控制工程网版权所有,包括中国、韩国、日本、美国、欧洲在内的许多国家和地区的政府都在不断提高对家庭用户和商业用户的能源节约标准。在上个世纪初,当商业化输配电第一次成为可能的时候www.cechina.cn,电力在家庭当中的用途仅仅局限于照明。然而在现代家庭当中,目前照明所消耗的电力仅占10%,诸如电风扇、空气调节系统、电冰箱、洗衣机等家用电器以及各种娱乐设施-例如电视机、音像系统等-已经取而代之成为家庭当中的主要电力消耗者。
  在诸如电风扇、空气调节系统、电冰箱等家用电器里面,电动马达是主要的电力消耗者。以电冰箱为例CONTROL ENGINEERING China版权所有,虽然这些家用电器的平均电力消耗是相当低的,但是它们连续不断的运行控制工程网版权所有,这就是说日常的电力消耗在总体能耗里边占了很大的份额。诸如电风扇、水泵等小型家用电器通常采用单相屏蔽极式电机或者永久电容感应式电机,这类电机的效率只能达到25%。如果综合考虑
电机效率造成的能量损失和发电以及输电过程的能量损失,其结果是非常惊人的。一台效率为25%的小风扇电机需要消耗120瓦的电能,其中只有30瓦的能量变成了扇叶转动的机械能输出。如果我们现在假设电力传送过程当中的能量损失为7%,一座现代化火力发电厂的发电效率为35%,那么热能消耗为370焦耳/秒。这就是说浪费在火力发电厂、电力输送电缆和电机上的能量比转动风扇叶片的能量多11倍。用于空气调节系统、电冰箱压缩机等家用电器的大型单相感应电机的效率会略高一点,通常能够超过65%。这样就能够把能量损失系数降低到4以下。但是压缩机在通常的运行循环模式和停止模式当中的负荷是非常低的,因为只有在空气调节系统、电冰箱等电器被开动的时候才会需要比较大的制冷功率。大量的能量损失发生在压缩机的启动阶段,这部分能量损失在一台以固定速度运行的压缩机所消耗的总能量当中占了很大一部分。有关研究表明:使用一台变速压缩机能够把平均能量消耗降低40%。这种提高是完全有可能实现的,因为压缩机的运行速度较好的与制冷的要求相匹配,这样压缩机就可以处于负荷较高的状态下,使其运行于高效率操作点的时间较长。

无传感器PM控制算法
图1:无传感器PM控制算法

  在过去的十几年中,日本的制造商采用可变速永磁体电机不断提高家用电器的效率。其中的控制系统使用一种电功率变换器来改变电机绕组电压的频率从而改变电机的转速。在有些家用电器当中(例如电风扇),他们使用霍尔传感器来探测转子的位置,将绕组的切换同转子磁体的位置同步起来从而尽量提高效率,同时还可以简化启动过程。这种方法的优点是只需要非常简单的电子回路就可以实现控制要求。但是一台密封的压缩机是无法安装霍尔传感器的,因此需要一种无传感器的算法。一种用于6步永磁体电机驱动系统的流行的无传感器算法采用探测绕组反电势的零交叉来检测转子的位置。这种控制算法通常使用一个8位的微处理器来管理相位超前和启动顺序。这种6步系统有一个缺点控制工程网版权所有,当电机的电流在绕组之间切换(变换电流方向)的时候会产生一种扭矩干扰。在许多风扇和水泵的应用当中这种扭矩干扰会产生一种烦人的噪音,尤其是在低速时,而这时风扇叶片几乎不发出声音。为了有助于减轻这种噪音,这种电机的转子配置了表面安装的磁体来降低绕组的感应系数,同时使变换电流方向的周期最短。不过理想的解决方案是采用正弦电流来驱动电机,这样可以完全消除这类扭矩干扰。这种类型的控制还使应用另一种采用内置永磁体(IPM)设计的电机成为可能。这种内置永磁体(IPM)设计的电机能够产生比永磁体电机多15%的扭矩,还具有进一步提高效率的潜力。IPM设计的压缩机电机的效率可以超过90%,与单相感应电机65%的效率相比极大的减少了能量浪费。也就是说一台采用3kW单相感应电机的压缩机如果使用IPM电机将只需要1.75kW。
  最近在电子技术硬件和控制技术方面取得的进展使得为IPM电机制造具有更高效费比的驱动设备成为可能。为了以正弦电流驱动IPM电机,最大程度的提高驱动效率、降低噪声,我们需要一种场定向控制算法(FOC)。无传感器算法必须能够仅仅根据电机的电流测量就能检测电机转子的位置。最后,这种控制硬件还必须在没有昂贵的隔离回路的情况下监测电机绕组的电流。下一节将会介绍这种无传感器控制算法和在永磁体交流电机上进行正弦控制的电流传感器硬件。这种算法使得压缩机可以使用高效率的IPM电机,并且使采用表面安装磁体电机或IPM电机的风扇可以取消霍尔传感器。

  无传感器控制算法
  图1当中的控制算法包含了在无传感器的情况下用正弦电流驱动一台IPM电机或者表面安装磁体电机所需要的所有控制功能。这种算法的一






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