輕松實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器洗衣機(jī)馬達(dá)控制

如今，不斷上升的電力成本正在驅(qū)使更多的家用電器采用節(jié)能設(shè)計(jì)，可變速工作方式即是適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)的一種技術(shù)，業(yè)內(nèi)權(quán)威人士認(rèn)為，這種技術(shù)可以節(jié)省洗衣機(jī)消耗電量的30％，但要真正實(shí)現(xiàn)這種工作方式，需要全新的運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師更快速和更經(jīng)濟(jì)地配置各種可變速驅(qū)動(dòng)工作方式。

傳統(tǒng)的固定速度家用電器一般使用電感電機(jī)，這種固定速度的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式比較容易實(shí)現(xiàn)。但隨著能源問(wèn)題越來(lái)越大突出，家用電器的節(jié)能要求也越來(lái)越高，再加上如鋼材、銅材等不斷攀升的原材料成本，正在促使傳統(tǒng)的電感電機(jī)模式向可變速、永磁同步電機(jī)(Permanent-Magnet Synchronous Motors，PMSM)過(guò)渡，這種趨勢(shì)在家用洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)、電風(fēng)扇以及加熱泵(Heating Pumps)等各式各樣電器設(shè)備中都有所體現(xiàn)。一般情況下，與傳統(tǒng)的電感電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)在同樣的電流下可以實(shí)現(xiàn)更大的力矩，因此用一個(gè)較小的永磁同步電機(jī)即可以完成一個(gè)較大的電感電機(jī)的工作。

但對(duì)于永磁同步電機(jī)而言，要想在家用電器中得到較好地應(yīng)用，并非沒(méi)有任何挑戰(zhàn)，一個(gè)比較突出的問(wèn)題是相對(duì)較為復(fù)雜的控制架構(gòu)，需要確定轉(zhuǎn)子的位置信息。霍爾效應(yīng)(Hall Effect)傳感器可以完成傳遞轉(zhuǎn)子位置信息的任務(wù)，但此類(lèi)傳感器組裝和實(shí)現(xiàn)增加了系統(tǒng)成本，并且也使系統(tǒng)潛在故障因素增加。目前比較流行、也是比較現(xiàn)實(shí)的方式是通過(guò)無(wú)傳感器電機(jī)控制算法，通過(guò)測(cè)量電機(jī)的繞組電流來(lái)得到轉(zhuǎn)子的位置信息。

根據(jù)在反相器直流鏈路(DC link)(圖1)中測(cè)定的電流可以準(zhǔn)確地推算出電機(jī)中的繞組電流，這樣一來(lái)就可以去除motor phases中直接測(cè)定電流所需要的信號(hào)隔離電路。這種方法的依據(jù)是，在每一個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)周期中，當(dāng)流經(jīng)DC總線的電流滿足一個(gè)馬達(dá)繞組時(shí)，存在有兩個(gè)反相器開(kāi)關(guān)態(tài)(switching states)，因此可以通過(guò)在一個(gè)脈沖寬度調(diào)制周期取樣DC link電流兩次，可以測(cè)定馬達(dá)相電流中的兩個(gè)，然后再通過(guò)兩個(gè)測(cè)定的電流來(lái)計(jì)算得出第三個(gè)相電流，三個(gè)電流的總和應(yīng)該為零。

依據(jù)所需要的轉(zhuǎn)子速度和測(cè)定的DClink電流，可以通過(guò)數(shù)字控制算法產(chǎn)生所需要的PMSM控制信號(hào)，如圖2所示。利用該算法，從繞組電流和電壓計(jì)算得出后端(back EMF)，然后再推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的位置信息。利用PMSM電路的兩相等效模型有助于簡(jiǎn)化角度的估算，因此需要利用Clarke變換公式(ClarkeTransformationFunction)將三個(gè)推算出來(lái)的電流大小轉(zhuǎn)化成兩相等效模型大小，兩相繞組電壓即是空間矢量(Space-Vector)PWM計(jì)時(shí)器(timer)的輸入電壓，該電壓直接控制加到馬達(dá)上的電壓大小，利用兩相等效電路模型公式計(jì)算得出rotor slnusoldal flux functions，轉(zhuǎn)子角度PLL也可以保證估算出轉(zhuǎn)子本身的角度和速度。

上述得到的相電流和轉(zhuǎn)子本身角度的估算公式，結(jié)合于現(xiàn)場(chǎng)定位控制算法(Field Oriented Control，F(xiàn)OC)，最終來(lái)控制馬達(dá)的力矩，現(xiàn)場(chǎng)定位控制算法(FOC)的一個(gè)特性是將矢量轉(zhuǎn)動(dòng)將交流繞組電流分解為兩個(gè)直流分量，分別是代表力矩的I_D和代表磁通量的I_D，這樣的方式最終通過(guò)使電流環(huán)路調(diào)諧獨(dú)立于速度之外，簡(jiǎn)化了控制器設(shè)計(jì)，速度環(huán)路則變成一個(gè)外部環(huán)路，其中得來(lái)的速度誤差用來(lái)為IQ計(jì)算力矩參考指令，加速度和馬達(dá)電流則依據(jù)算法中的RAMP和LIMIT功能設(shè)置受限于一定的范圍內(nèi)，如圖2所示。

在所示算法中，還有另外一些功能可以實(shí)現(xiàn)，如field weakening function擴(kuò)展了馬達(dá)速度范圍，IPM功能則使馬達(dá)效率更加優(yōu)化。一個(gè)內(nèi)在永磁馬達(dá)(Interior Permanent Manet，IPM)產(chǎn)生一個(gè)額外的力矩分量，這些沒(méi)有在表面永磁馬達(dá)(Surface Permanent Magnet，SPM)中出現(xiàn)，內(nèi)在永磁馬達(dá)IPM作用是用來(lái)調(diào)整相位超前，以便根據(jù)由轉(zhuǎn)子位置改變導(dǎo)致的電感變化使單位安培的電流得到最大的力矩輸出。

在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制環(huán)路將會(huì)使輸出的力矩達(dá)到最大，這種模式在洗衣機(jī)中很常見(jiàn)。但值得注意的是，當(dāng)繞組中的電壓接近總線電壓時(shí)，反相器此時(shí)不再使更多電流流入馬達(dá)，F(xiàn)OC算法能夠控制I_D電流分量來(lái)抵消由磁體導(dǎo)致的磁通量分量，因此對(duì)于任何速度FOC算法都能夠降低后端EMF，從而使馬達(dá)的工作速度得到擴(kuò)展。field weakening function通過(guò)計(jì)算最佳I_D電流參考值，從而最大限度利用反相器電壓。

但在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和RISC微處理器中實(shí)施上述算法從軟件開(kāi)發(fā)的角度并非易事，從性能方面看，一般來(lái)說(shuō)，DSP和RISC微處理器指令讀取(instruction fetch)和執(zhí)行周期相對(duì)較慢，這些限制了指令執(zhí)行速度，其結(jié)果是限制動(dòng)態(tài)力矩控制效果。在目前市場(chǎng)最新式的洗衣機(jī)中，洗衣周期的確定需要考慮最大限度的節(jié)約用水量，而實(shí)現(xiàn)這些需要準(zhǔn)確的速度控制和快速的動(dòng)態(tài)力矩響應(yīng)，根據(jù)衣物的重量來(lái)決定洗衣的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。從另一方面分析，把運(yùn)動(dòng)控制功能交由硬件實(shí)現(xiàn)，有效地設(shè)置一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制引擎，可以是指令執(zhí)行速度加快2．5倍，但無(wú)論在何種條件下，一些特定應(yīng)用的目標(biāo)參數(shù)和馬達(dá)指標(biāo)如繞組阻抗和感抗等等必須在設(shè)計(jì)實(shí)施時(shí)統(tǒng)籌考慮，如果設(shè)計(jì)工程師沒(méi)有準(zhǔn)確了解系統(tǒng)特性，可能就需要在控制器設(shè)置點(diǎn)、控制環(huán)路增益以及其他參數(shù)設(shè)置過(guò)程中，花費(fèi)很多時(shí)間去重新編譯程序和修改設(shè)計(jì)等等。這里介紹一種工作量的方法，把完成特定應(yīng)用層面功能的微控制器與無(wú)傳感器馬達(dá)控制算法主控制器緊密耦合聯(lián)結(jié)在一起考慮，國(guó)際整流器公司(International Rectifier，IR)已經(jīng)在iMOTION平臺(tái)上采用了這種技術(shù)，通過(guò)把一個(gè)805lMCU與一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制引擎IP和主要的模擬功能整合在一起，可以幫助設(shè)計(jì)工程師更容易地實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化的控制器設(shè)計(jì)，如圖3所示。其中采用一個(gè)MCU和運(yùn)動(dòng)控制引擎共用的存儲(chǔ)器架構(gòu)，可以對(duì)一些目標(biāo)參數(shù)如運(yùn)轉(zhuǎn)速度等等進(jìn)行設(shè)定，也可以通過(guò)應(yīng)用軟件把一些新的參數(shù)值寫(xiě)入。

由于基于8051的應(yīng)用處理器已經(jīng)為市場(chǎng)長(zhǎng)期接受，人們對(duì)于其應(yīng)用技術(shù)也有相當(dāng)深入的了解，因此設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)合適的配置工具，很容易地讀取和改變其他存儲(chǔ)于共享存儲(chǔ)器中的控制參數(shù)和其他系統(tǒng)指標(biāo)，如果這些配置工具能夠依據(jù)提供的馬達(dá)和系統(tǒng)籌措計(jì)算出所需要的數(shù)字控制參數(shù)，設(shè)計(jì)工程師甚至可以在一些最初沒(méi)有完全設(shè)置好的系統(tǒng)中很快地完成微調(diào)工作，極大地加快了產(chǎn)品的面市時(shí)間，降低工作復(fù)雜度。