无传感器控制使能高效永磁电机的低成本控制

　　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，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，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，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，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。

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，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。这种算法的一个关键要素是一种使用了矢量旋转模块(e-j)的场定向控制结构，这种场定向控制结构同时还可以将交流的电机绕组电流转换成2路直流电流分量，一路用来产生扭矩，另一路用来控制磁通量。输入给旋转模块的电流最初采用Clarke变换模块从3相变换为等值的2相电流。转子磁通量角使电流分割成D分量，D分量与磁通量结合到一起。Q分量用来产生扭矩。2个电流控制PI补偿器的整定与电机绕组的RL时间常数相互匹配并且无需随着交流绕组电流频率的改变而改变。前向矢量旋转模块(ej)将PI补偿器的直流电压输出转换成与转子频率相符的交流电压。空间矢量PWM单元根据计算出来的交流电压要求计算功率转换二极管的切换时间。空间矢量调制自动加入3阶谐波来产生正弦电压调制，最大限度的利用直流总线上的电压。其中还包括了一种2相调制功能，可以尽量降低功率转换器的切换损失。

　　最大限度的提高每安培电流的电机扭矩输出，使电机的效率最高。对于表面安装磁体电机来说，就是控制器将电流（ID）的磁通量分量保持在0水平来使电机效率最高。但是由于IPM电机特别的转子结构，一台IPM电机会产生一个被称为磁阻扭矩的附加扭矩分量。在驱动一台IPM电机的时候，IPM控制模块会将ID电流从0开始增加，这是IQ目标的一个功能，目的是让电机运行在效率最高的工作点。在任何的情况下，速度回路补偿器都会计算将速度维持在目标值所需要的扭矩电流。在有些应用当中，例如洗衣机，需要比较宽的速度范围。在这种情况下场电流减弱控制功能会加入负磁通量电流（ID）来降低电机的有效反电动势，并且在反电动势达到直流总线电压限制之前允许电机运行在比较高的转速下。

　　目前有许多工业驱动系统使用这里介绍的算法结构，但是这种算法结构要求电机具备解码器或是编码器反馈。这种算法结构具有一个独特的特点，就是它能够通过电机绕组电流来推算出转子的位置和速度而无需物理传感器。这种无传感器算法通过下面等式表示的电机回路模型推导出电机转子的磁通量状况。控制器驱动定子的电压，同时电流重建回路检测电机的总电流。对等式的各项进行一个简单的重新排列和数学合并就能够产生sine和cosine项。一个相位锁定的回路不断跟踪这个算法，推导出角度和速度，就类似于用在IC数字变换解码器上的类型。

　　这种算法的第二个特点是相电流变送单元根据换流器直流链接的电流量来推算出电机的相电流。参见图2的说明，对于任何一个运行中的换流器单元来说，总有一个绕组被连接到一个总线导轨，同时有另外2个绕组被连接到其它总线导轨。这就是说每一个PWM循环都会有2个电机绕组的电流值可用。相电流变送单元包括一个根据SVPWM输入运行的采样计时发生器、一个采样模/数转换器和计算三相电流的数学运算单元。这种方式的明显优点是可以不需要隔离的电流传感器以及能够让无传感器算法在家用电器上的应用具有更高的效/费比。

　　无传感器控制算法是一套应用于家用电器电机控制的一体化设计平台的一个组成部分。一个混合的信号控制IC能够以硬件方式执行这种算法，不需要进行任何复杂冗长而且很容易出错的软件开发。这个IC集成了电流测量所需的模/数转换器和缓冲放大器。你可以在图1中看到包括故障检测功能和开车顺序的附加硬件功能。最后，这个控制IC还集成了一个自带内存的8位微处理器内核用来执行家用电器工程师规定的其它应用功能。