实现高能效电器设备的变速电机控制

压缩机电机的变速控制可以极大地降低峰值和平均能耗。然而，由于空调标准要求减少季节性平均能耗，就连蒸发器和冷凝器风扇的能耗控制也显得很重要。

电器设备制造也面临艰巨的设计挑战，不仅要满足能效标准，还要应付钢、铝和铜等原材料价格的飞涨。压缩机电机的变速控制可以极大地降低峰值和平均能耗。然而，由于空调标准要求减少季节性平均能耗，因此蒸发器和冷凝器风扇消耗的能量也很重要。

洗衣标准的重点是洗衣时的热水消耗以及脱水过程中的脱水量，目的是减少热水器和干燥机的能耗。全球有些地区干旱问题非常严重，因此洗衣标准要求减少总耗水量。这些标准同样适用于电冰箱和抽水泵等较低功率电器设备，因为这些连续运转的设备会消耗很多能量。它们还需要添加新的产品功能，以便不靠价格战也能在市场中立于不败。

制造商们正在关注永磁同步电机（PMSM），因为它们具备很高的效率，而且铁和铜的用量也很少。要想极具性价比地应用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。无传感器的磁场定向控制（FOC）算法可以仅根据电流测量实现高性价比的PMSM变速控制。

设计挑战在于如何优化算法以满足许多不同设备的性能要求。能效是压缩机速度控制中最重要的要求，但在蒸发器风扇控制中降低噪声是关键。用于加热的热水循环泵控制不要求具备很高动态响应的，但冷水供应泵控制则要求很高的动态响应以保持水流快速变化时的水压。洗衣机的电机控制要求在低速时有较高的动态转矩控制能力以改善洗衣周期，但在脱水过程中要求实现非常高速的控制。

无传感器电机控制

FOC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。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，从而有效地降低了噪声和机械振动。

虽然这种性能非常理想，但设备制造商却无法降低伺服电机中常用的高分辨率转子位置传感器的成本。然而，只要在低速性能方面作少许妥协，就不需任何位置传感器也能实现磁场定向控制。图1所示的无传感器FOC算法可以从转子磁通量得到位置参数，它是通过计算绕组反电动势的积分获得的。

这种方法在中、高速时可以取得很好的控制性能，但当电路和测量噪声干扰反向电动势信号时，低速的性能则会下降。但是这不算是很重要的问题，因为设备传动不要求把转矩完全控制到零速。

控制器使用加在绕组电压和测量电流来计算源自电机电路模型的绕组反向电动势。电机绕组电流的直接测量相对比较昂贵，因为高共模电压，所以它需要进行隔离式测量。更具性价比的方法是通过采样直流环分路电流来重构电机电流。采样定时信号取自决定逆变器开关状态的脉宽调制器（PWM）。每个PWM周期有两个允许采样不同相位电流的有效状态。因为绕组电流的总和为零，所以第三相电流就很容易确定了。

图1：无传感器磁场定向控制（FOC）算法

因为反电动势项是正弦和余弦函数，两相电路模型简化了磁通估算器的计算。两相等效电压和电流在FOC电流环内很容易得到。等式1a和1b对绕组反向电动势、电阻和电感进行了建模。

对这些等式积分得出等式2a和2b，其中的各个项是转子磁通角的正余弦函数。

角度和速度锁相环（PLL）促使角度估计跟踪转子磁通角，并得出位置和速度信息。PLL使用Park矢量旋转来计算角度估计误差的正弦值，当锁定为转子角时该值为零。开始时，磁通估计器信号是不可靠的，因此PLL运行在开环模式。电机和负载模型将驱动角度积分器估计转子速度。当电机达到某一最低速度时PLL切换到闭环模式。

无传感器PMSM控制设计平台

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。这种技术可以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。

PWM调制器无需软件参与就能自动产生采样定时信号。控制芯片中的另一个基本单元是用于实现设备应用功能的8位微控制器内核。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。它利用共享RAM块实现与MCE的通信，因此电机控制算法几乎独立于8位处理器工作，而仅在设置点或控制参数变化时起反应。

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。设计套件包含了可投入实际使用的应用开发板，上面有交流输入整流器、电源、控制芯片和电源模块，如图2所示。

图2：参考设计套件原理图

控制芯片固件包含有完整的无传感器控制算法和一个基于8051的调试代理。后者能够帮助用户轻松定制控制参数来满足具体的设备要求。

应用程序开发挑战

控制算法具有针对不同设备应用的多种特性。空调压缩电机使用内部永磁（IPM）电机，因为它们效率更高。IPM电机产生的每安培转矩比表面磁电机要高出15%左右，这是磁力矩造成的。针对IPM电机转矩的等式3包含有电磁转矩和磁阻转矩两项，其中磁阻转矩随电机电流的平方值而变化，是转子角度2倍的正弦函数。

从图3所示转矩函数曲线图可以看出，需要提前相位角，并将它作为电流的函数来最大化每安培的转矩。

图3：内部永磁（IPM）电机转矩函数

无传感器控制器包含有这个角度提前功能，其增益取决于电机的凸极（它是磁化的首选方向）。

洗衣机控制是极具挑战性的应用，因为它要求非常宽的速度范围。在低速洗衣时，要求具备很高的转矩，因此电机设计应该最大化转子磁通。然而，在脱水过程电机运转速度将达到洗衣速度的20多倍，此时要求非常低的转子磁通。磁场定向控制器可以很好地管理这一过程。一旦反向电动势达到逆变器电压极限，它就注入一个直流分量并置在转子磁通上。磁场弱化电流的计算非常复杂，因为它随速度和负荷的变化而变化。磁场弱化控制器采用反馈控制环路监视定子电压幅度以避免这种计算，当幅度接近逆变器极限时自动增加磁场弱化电流。

洗衣机控制面临的另一个挑战是在进入脱水程序前对洗衣负荷的失衡检测。对负荷失衡检测的改进可以节省常用于解决失衡问题的机械式阻尼器，并减轻由于失衡导致的振动。控制器将电机电流分离为磁场控制和转矩产生电流，从而提供负荷信息。洗衣机控制工程师使用MCE库中的函数建立他们自己的负荷失衡滤波器。在8051处理器上运行的洗衣机循环软件再从共享存储器中读取滤波器输出数据，然后决定旋转速度。