電器設(shè)計中的電機(jī)控制趨勢

許多家用電器都包括一個或多個對其功能至關(guān)重要的電機(jī)。在不斷提高市場份額的斗爭中，新產(chǎn)品設(shè)計力求使其產(chǎn)品在競爭中脫穎而出。本文將探討五個主要趨勢，這些趨勢塑造了電器電機(jī)控制的未來，電器電機(jī)控制適用于從HVAC系統(tǒng)到食品加工的所有領(lǐng)域。 

能效

最大限度地降低電機(jī)和壓縮機(jī)的功耗仍然是電器設(shè)計的大趨勢之一。在很大程度上，美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）家用電器能源之星計劃推動著這一進(jìn)程。這項計劃會對產(chǎn)品進(jìn)行評級并提供相應(yīng)的標(biāo)簽，顯示運(yùn)行該設(shè)備所需的全年電量（kWh）。更高效的產(chǎn)品將獲得能源之星評級，而這是許多消費(fèi)者眼中的必備家電屬性。許多其他國家/地區(qū)的政府提供類似的評級系統(tǒng)。

低端設(shè)備通常使用交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）。使用變頻驅(qū)動器（VFD）可以相對簡單地控制這些電機(jī)。在這種技術(shù)中，三相正弦波形為電動機(jī)的繞組供電。電機(jī)的控制通過改變脈寬調(diào)制（PWM）占空比來實現(xiàn)，PWM占空比通過其變化率來設(shè)置電壓和頻率。

對于VFD，只要負(fù)載不變，即可通過使電壓與頻率之比保持恒定來提供恒定的轉(zhuǎn)矩。遺憾的是，裝備有VFD的ACIM對變化的負(fù)載或速度請求的反應(yīng)緩慢，這降低了它的效率。例如，洗衣機(jī)通常使用ACIM，并且ACIM對可變負(fù)載的變化反應(yīng)不佳。當(dāng)濕衣服在滾筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)，或者在攪拌期間滾筒旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化時，就會發(fā)生這種情況。

提高效率的最直接方法是改變運(yùn)行設(shè)備的電機(jī)類型。高端設(shè)備已經(jīng)開始采用一種新型電機(jī)，稱為永磁同步電機(jī)（PMSM）。由于設(shè)計原因，這種電機(jī)提供了更好的控制，但制造成本也更高。

PMSM的效率更高，因為它們在轉(zhuǎn)子中使用永磁體，而感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子使用的繞線線圈需要額外的能量來維持磁場。PMSM設(shè)計的優(yōu)點是可以使用一種稱為磁場定向控制（FOC）的改進(jìn)控制算法，這種算法可以在更寬的負(fù)載或速度范圍內(nèi)非常精確地控制電機(jī)使用的能量。使用數(shù)字信號控制器（DSC）來控制PMSM（例如Microchip的dsPIC33EV系列），可以幫助提高這些電機(jī)的能效并實現(xiàn)無噪聲運(yùn)行。

此外，使用具有FOC的PMSM可以節(jié)省大量能源。例如，冰箱的壓縮機(jī)是一種專門設(shè)計的電機(jī)，通過將控制范圍擴(kuò)展到非常低的速度（如800 rpm），在冷卻系統(tǒng)中泵送冷卻液。因此，使用的功率降低了約30%。這可以顯著提高設(shè)備的能源星級。其他研究表明，PMSM在將電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩方面可以達(dá)到90%的效率。

更高速

反過來看，諸如電鉆、HVAC和排氣扇等電器需要非常高的速度。磁場削弱（也稱磁通削弱）是一種控制技術(shù)，能夠以快于FOC技術(shù)的速度旋轉(zhuǎn)電機(jī)。為此，轉(zhuǎn)子磁體之后遇到的定子繞組中的電壓場以抵消轉(zhuǎn)子磁體中某些磁場（稱為磁通）的方式進(jìn)行充電。當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁鐵與繞組對齊時，這會降低電機(jī)轉(zhuǎn)動的阻力效果。這種阻力稱為反向電磁力（BEMF）。通過磁場削弱降低BEMF，可以將電機(jī)的最高速度從25%提高到100%，只要該時間點所需的轉(zhuǎn)矩較低即可。由于大多數(shù)電器在較高運(yùn)轉(zhuǎn)速度下不需要滿載轉(zhuǎn)矩，因此磁場削弱可以有效地提高它們的最高速度，從而提高運(yùn)行效率。

最大程度降低噪聲

電器電機(jī)控制的第三大趨勢是最大程度降低噪聲。您是否厭倦了廚房電器的嗡鳴聲？很多人不想在家里聽到電器運(yùn)行的聲音。靜音十分重要，消費(fèi)者愿意為此支付更高的費(fèi)用！

圖1：使用ACIM和PMSM電機(jī)的常見家用電器

電器電機(jī)噪聲的產(chǎn)生有多種原因。電源線中電源電壓的突然下降，以及負(fù)載或轉(zhuǎn)矩需求的突然變化，都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置估計值略微偏離。此外，PWM控制信號的時序可能與轉(zhuǎn)子位置不完全一致。這些情況中的任何一種都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子輕微抖動并產(chǎn)生可聽到的噪聲。

然而，造成電機(jī)噪聲的主要原因是導(dǎo)通和關(guān)斷金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）或絕緣柵雙極晶體管（IGBT），IGBT是一種將功率傳輸?shù)诫姍C(jī)繞組的大晶體管。每次打開或關(guān)閉這些晶體管時，繞組中電流的突然沖擊會推動周圍的空氣（與揚(yáng)聲器的工作方式相同），產(chǎn)生可以聽見的聲音或咔嗒聲。把這個聲音乘以三倍（三個電機(jī)繞組），每秒鐘重復(fù)數(shù)千次，便會產(chǎn)生剛好處于人類平均聽力范圍內(nèi)（20至20 kHz）的電機(jī)嗡鳴聲。

幸運(yùn)的是，我們有降低噪聲的解決方案。這一切都?xì)w結(jié)于成本，但兩個關(guān)鍵的解決方案是以更高的頻率切換MOSFET并拓寬PWM。

雖然所有的電機(jī)控制算法都可以使用20 kHz或更高的PWM頻率將噪聲保持在人耳的聽覺范圍之外，但是許多家用電器仍然以更低的頻率（通常在5至8 kHz范圍內(nèi)）來關(guān)斷和導(dǎo)通它們的電機(jī)控制MOSFET。  這是因為，在較慢的速度下，可以低得多的價格購買集成電源模塊（IPM）（一種包含MOSFET的封裝）。

擴(kuò)頻是另一種技術(shù)，一些設(shè)計正在使用這項技術(shù)來進(jìn)一步降低噪聲。為此，使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來改變PWM頻率。這會使PWM頻率時高時低，但平均PWM頻率將保持不變。通過將這種抖動添加到PWM頻率中，噪聲信號的幅度減小，并可實現(xiàn)顯著的降噪效果。

先進(jìn)的控制技術(shù)

有一種技術(shù)在各種家電的電機(jī)應(yīng)用中都十分實用，它涉及到在啟動前和極低的轉(zhuǎn)速下掌握電機(jī)轉(zhuǎn)子相對于定子的位置。這有兩個主要原因。第一個原因是，一些電器不能反向運(yùn)行（例如空調(diào)機(jī)組中的泵和壓縮機(jī)）。如果電機(jī)在啟動時轉(zhuǎn)向錯誤，即便是微小的轉(zhuǎn)動，也可能最終損壞泵并導(dǎo)致其斷裂。第二個原因是，像鉆孔機(jī)、食品加工器、洗衣機(jī)和風(fēng)扇這樣的電器需要從啟動時就獲得滿載轉(zhuǎn)矩，以便更快地達(dá)到全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

遺憾的是，與FOC一起使用的反饋電路（稱為估測器或觀測器）不能在零速或低速下工作。FOC稱為無傳感器技術(shù)。這意味著，將沒有霍爾傳感器、磁位置傳感器或光軸編碼器來提供轉(zhuǎn)子位置。為了發(fā)揮作用，F(xiàn)OC算法從三個電機(jī)繞組獲得電流反饋。當(dāng)電機(jī)首次啟動時，速度過低，反饋電路無法獲得良好的讀數(shù)，電機(jī)以開環(huán)方式運(yùn)行。在電機(jī)達(dá)到足夠的轉(zhuǎn)速（如50 rpm），并且獲得良好的電流反饋后，控制回路閉合，進(jìn)行正常的FOC。

為了能夠在電機(jī)啟動或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時檢測轉(zhuǎn)子位置，開發(fā)了一種使用高頻注入（HFI）的技術(shù)。在這種技術(shù)中，轉(zhuǎn)子中的三個繞組通過高頻PWM信號逐一通電，并測量電流反饋信號。通過比較這三個測量值，可以確定轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，并利用正確的PWM信號以正確的方向啟動泵和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子。這樣做也能更快地加速電機(jī)。

另一項新技術(shù)稱為“風(fēng)轉(zhuǎn)”。通過風(fēng)轉(zhuǎn)，可以重新啟動處于滑行狀態(tài)的電機(jī)，以匹配當(dāng)前電機(jī)的位置和速度，從而實現(xiàn)平穩(wěn)而不晃動的重啟。這樣既有助于降低噪聲，又能提高電機(jī)耐用性。

此外，也可以通過使用FOC最大程度地提高轉(zhuǎn)矩的方式來控制電機(jī)。這種技術(shù)稱為每安培最大轉(zhuǎn)矩（MTPA），它允許電機(jī)在恒定轉(zhuǎn)矩階段的閉環(huán)轉(zhuǎn)換后加速旋轉(zhuǎn)。利用這種技術(shù)，洗衣機(jī)可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，從衣物中排出更多的水，無人機(jī)的電機(jī)也可以在不到300 ms內(nèi)從0 rpm加速到30,000 rpm，從而實現(xiàn)更快的起飛。 

提高安全性

最后一個趨勢至關(guān)重要。行業(yè)內(nèi)發(fā)起了一項提高產(chǎn)品功能安全性的運(yùn)動。這意味著電氣元件——即控制電器電機(jī)的單片機(jī)（MCU）或數(shù)字信號控制器（DSC）需要具有符合行業(yè)規(guī)范的內(nèi)置安全特性。例如，IEC 60730 B類安全規(guī)范要求在啟動時關(guān)閉MCU或DSC的PWM信號的默認(rèn)狀態(tài)，以防止任何可能導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動的瞬態(tài)尖峰電壓。未來，行業(yè)將為電機(jī)控制設(shè)計工程師編制一本功能安全手冊，以幫助他們更好地理解如何使用MCU或DSC電機(jī)控制器件中內(nèi)置的所有安全功能。這種趨勢將使電機(jī)驅(qū)動的家用電器變得更加安全，最終讓所有人受益。