通過(guò)無(wú)傳感器FOC控制提高電器電機(jī)控制的效率和成本效益
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洗衣機(jī)控制拓?fù)?br />
本文主要關(guān)注如何部署FOC來(lái)設(shè)計(jì)高效、安靜的洗衣機(jī)。通過(guò)分析洗衣機(jī)的構(gòu)造，可以了解為什么需要高效的電機(jī)控制技術(shù)。如圖1所示，最新型的洗衣機(jī)帶有一個(gè)滾筒單元，該結(jié)構(gòu)由BLDC電機(jī)或PMSM電機(jī)、電機(jī)控制器電路板、帶按鍵用戶界面電路板和顯示單元組成。控制器電路板和用戶界面電路板可以使用串行鏈路（如UART、SPI或?qū)Ｓ写袇f(xié)議）進(jìn)行通信，用以設(shè)置所需的洗滌負(fù)載、漂洗速度，以及處理其他命令。根據(jù)所接收到的命令，電機(jī)控制器電路板會(huì)調(diào)整電機(jī)速度和扭矩。電機(jī)是洗衣機(jī)中最主要的用電部件，用電量可達(dá)總用電量的85%。因此，對(duì)于PMSM控制的任何改進(jìn)，都可以顯著節(jié)省用電和成本。為此，高效的電機(jī)控制對(duì)于設(shè)計(jì)更好的電器非常關(guān)鍵。
圖1新型洗衣機(jī)的構(gòu)造
新型信號(hào)控制器促進(jìn)電器設(shè)計(jì)
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）和功率電子開(kāi)關(guān)的產(chǎn)生，它們可以用于設(shè)計(jì)變速電機(jī)。實(shí)際上，得益于DSC高效而高成本效益的電機(jī)功率管理，電器不再需要局限于使用一些定制的硬件和控制技術(shù)。例如，借助Microchip最新一代的dsPICDSC系列，電器制造商現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)出顯著節(jié)省用電和成本的電機(jī)系統(tǒng)。這是因?yàn)閐sPIC DSC上包含專用于電機(jī)控制應(yīng)用的外設(shè)。這些外設(shè)包括電機(jī)控制脈寬調(diào)制（MCPWM）、高速ADC和可擴(kuò)展閃存程序存儲(chǔ)器。
此外，dsPIC DSC的DSP引擎還支持必需的快速數(shù)學(xué)運(yùn)算，用于執(zhí)行需要大量計(jì)算的控制循環(huán)。本文將討論如何通過(guò)dsPIC DSC使用FOC算法來(lái)控制洗衣機(jī)中的電機(jī)。在洗衣機(jī)中，dsPIC DSC用作電機(jī)控制電路板上的信號(hào)控制器。用戶界面模塊可以采用8位單片機(jī)（MCU）進(jìn)行處理，如Microchip的PIC16或PIC18系列MCU，可以針對(duì)三相感應(yīng)電機(jī)（ACIM）、三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）分別實(shí)現(xiàn)FOC算法。由于構(gòu)造方面的原因，PMSM電機(jī)的效率比ACIM電機(jī)高。以下將特別討論無(wú)傳感器FOC算法對(duì)于洗衣機(jī)中的PMSM電機(jī)是如何工作的。
為什么使用FOC算法？傳統(tǒng)的BLDC電機(jī)控制方法以六步方式驅(qū)動(dòng)定子，會(huì)導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩。在六步控制方式中，先對(duì)兩個(gè)繞組通電，直到轉(zhuǎn)子到達(dá)下一個(gè)位置，然后電機(jī)換向到下一步。霍爾傳感器用于確定轉(zhuǎn)子位置，以便對(duì)電機(jī)進(jìn)行電子換向。高級(jí)無(wú)傳感器FOC算法使用定子繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置。六步控制（也稱為梯形控制）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)本身就不適合用于洗衣機(jī)控制，因?yàn)橐粋€(gè)洗滌周期中的負(fù)載會(huì)動(dòng)態(tài)變化，并且實(shí)際負(fù)載還會(huì)因洗滌量和所選洗滌周期的不同而變化。此外，在前開(kāi)式洗衣機(jī)中，當(dāng)負(fù)載位于滾筒頂側(cè)時(shí)，電機(jī)負(fù)載要克服重力做功。只有高級(jí)算法（如FOC）可以處理這些動(dòng)態(tài)負(fù)載變化。
FOC原理
FOC算法會(huì)產(chǎn)生矢量形式的3相電壓，用于控制三相定子電流。通過(guò)使用Park和Clarke變換將物理電流變換為旋轉(zhuǎn)矢量，轉(zhuǎn)矩和磁通分量不會(huì)隨時(shí)間變化（時(shí)間不變性）——使得可以與直流電機(jī)一樣，使用諸如比例積分（PI）控制器之類的傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)進(jìn)行控制。根據(jù)設(shè)計(jì)，在有刷直流電機(jī)中，定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通之間的角度保持為90°，從而使電機(jī)產(chǎn)生可能的最大轉(zhuǎn)矩。通過(guò)使用FOC技術(shù)，電機(jī)電流變換為2軸矢量，就如直流電機(jī)中的電流。此過(guò)程的第一步是測(cè)量三相電機(jī)電流。在實(shí)際測(cè)量中，由于3個(gè)電流值的瞬時(shí)和為0，所以只需測(cè)量其中兩個(gè)電流，就可以確定第三個(gè)電流的值。此外，由于只需要兩個(gè)電流傳感器，因此還可以降低硬件成本。
Clarke變換
第一個(gè)變換稱為Clarke變換，將以定子作為參照物的3軸二維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為2軸坐標(biāo)系，并保持相同的參照物。如圖2所示，其中，Ia、Ib和Ic是各個(gè)相電流。
圖2 Clarke變換
此時(shí)，定子電流相量可以在使用α-β軸的2軸正交坐標(biāo)系上表示。下一步是變換為另一個(gè)2軸坐標(biāo)系，稱為d-q軸坐標(biāo)系，它會(huì)隨轉(zhuǎn)子磁通而旋轉(zhuǎn)，通過(guò)圖3所示的Park變換實(shí)現(xiàn)。
評(píng)論