洗碗機(jī)水泵無傳感器PMSM驅(qū)動設(shè)計
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由于PMSM中沒有換向器(即電刷)，因此電機(jī)控制技術(shù)必須基于對轉(zhuǎn)子位置的了解。該位置必須是可測量或可估計的。測量轉(zhuǎn)子位置要求在電機(jī)軸上安裝光編碼器(傳感器)等設(shè)備，而這樣做會大幅增加系統(tǒng)成本。如果可以用一個有效的方法估算轉(zhuǎn)子位置，那么就可以不使用傳感器。根據(jù)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)(零速度、低速、高速等)的不同，用來估算轉(zhuǎn)子位置的方法有很多種。電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，可以利用觀測儀就低角誤差、動態(tài)性能、錯誤過濾等方面獲得良好結(jié)果。本文描述的解決方案使用的是“反電勢觀測儀”，它基于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
用來驅(qū)動PMSM的高性能技術(shù)基于磁場定向控制(FOC)，有時簡稱為“矢量控制”。這種方法的目的，是無論機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化和其他干擾如何，都能夠以精確追蹤命令軌跡的方式獨(dú)立控制氣隙中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈，并實(shí)現(xiàn)盡可能快的瞬時響應(yīng)。FOC方法加上估算轉(zhuǎn)子位置的反電勢觀測器，是驅(qū)動基于 PMSM洗碗機(jī)水泵的理想解決方案。
洗碗機(jī)水泵
家電制造商最近已經(jīng)開始使用PMSM來驅(qū)動洗碗機(jī)水泵，典型參數(shù)包括：
C 230V的線路電壓(歐洲)
C 6或8個磁極
C 80W額定功率
C 在d、q軸下定子相位等效電感Ld與Lq的關(guān)系為-Ld=Lq
洗碗機(jī)水泵控制算法在閉合的電流和速度環(huán)路中運(yùn)行。洗碗機(jī)內(nèi)的水壓用液壓系統(tǒng)(水管、噴水器等)的物理設(shè)計來表示，可以通過變換水泵的速度進(jìn)行控制。
典型的洗碗機(jī)水泵運(yùn)行特性包括103kPa(15psi)至827kPa(120psi)的水壓范圍和1,500rpm至3,500rpm 的機(jī)械泵速度。
PMSM電機(jī)控制方法
驅(qū)動PMSM的比較適合的控制方法有數(shù)個。根據(jù)應(yīng)用性能和成本要求，本節(jié)描述的矢量控制方法(也稱為FOC)比較適當(dāng)。FOC控制方法的基本原理如圖1中所述。
圖1：FOC控制方法原理
矢量控制方法的必要信息包括轉(zhuǎn)子的位置和速度，以及電機(jī)磁化磁鏈的位置。傳統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)使用解析器或編碼器。這樣，監(jiān)控轉(zhuǎn)子所需的傳感器、配線和連接器就增加了系統(tǒng)成本，降低了可靠性。對于成本敏感型應(yīng)用，必須以其他方式獲取轉(zhuǎn)子位置。不采用位置傳感器的算法稱為“無傳感器控制”方法。圖2中的框圖顯示了實(shí)施的無傳感器矢量控制算法。位置和速度采用反電勢觀測儀及追蹤觀測儀進(jìn)行估算，如圖所示。
圖2：PMSM矢量控制算法框圖
電機(jī)是一個動態(tài)系統(tǒng)，因此我們用一組微分方程式對其進(jìn)行描述。alpha/beta靜止參照系中的定子電壓方程式可表達(dá)如下：
該數(shù)學(xué)模型描述了該洗碗機(jī)水泵應(yīng)用中使用到的PMSM 的行為，因此它可用于反電勢觀測儀。
轉(zhuǎn)子位置和速度估算
一般來說，“estimator”是一個估算狀態(tài)變量的動態(tài)系統(tǒng)。estimator實(shí)施從根本上說有兩種形式：開環(huán)和閉環(huán)。在閉環(huán)estimator情況中，估算值和實(shí)際狀態(tài)變量之間的誤差作為校正項(xiàng)，調(diào)整響應(yīng)。閉環(huán)estimator也稱為觀測儀。
反電勢觀測儀基于對電動勢的估算。反電勢模型包括來自傳統(tǒng)反電勢(轉(zhuǎn)子磁鐵)的感應(yīng)電壓和來自定子電感的感應(yīng)電壓。這讓我們能夠通過對反電勢的估算來估計轉(zhuǎn)子位置。這種方法在低速時有一定的局限性，因?yàn)榉措妱菪盘柗浅Ｈ?，幾乎為零，而且觀測儀發(fā)散。當(dāng)達(dá)到有效估算所需的最低運(yùn)算速度時，反電勢觀測儀估算轉(zhuǎn)子位置，可將其作為矢量控制算法的反饋信號。正確的觀測儀運(yùn)算的最低運(yùn)算速度(電壓)閾值取決于電機(jī)構(gòu)造，必須根據(jù)電機(jī)參數(shù)計算或直接在電機(jī)上進(jìn)行測試。
觀測儀算法處理從PMSM 數(shù)學(xué)模型中得到以下方程式：
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