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簡介 由于能效、環(huán)境問題及遵守新的能耗規(guī)定的必要性，對(duì)節(jié)能型工業(yè)和家用電器的需求最近也在攀升。這些規(guī)定迫使人們?yōu)橄匆聶C(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)等電器開發(fā)節(jié)能電機(jī)。據(jù)估計(jì)，電動(dòng)機(jī)消耗的電力占工業(yè)應(yīng)用消耗的總電力的70%以上，美國電力研究協(xié)會(huì)研究顯示，超過60%的工業(yè)電機(jī)以低于它們的額定負(fù)荷容量運(yùn)行。 交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM) 在工業(yè)和消費(fèi)電子中的流行有很多原因(見圖1)。它們非常簡便(它們沒有刷子)，不但制造成本低，而且功能強(qiáng)大，幾乎不需要維護(hù)。它們的生產(chǎn)已經(jīng)有一些年 頭，因此它們的構(gòu)造極度優(yōu)化。在過去，這類電機(jī)的運(yùn)行一直不需要速度控制，而且為了達(dá)到理想的結(jié)果，頻繁啟動(dòng)和停止。這一過程使用的大約50%的電力都被 浪費(fèi)。 現(xiàn)在，人們?cè)诳紤]很多新的減少ACIM的電力消耗的方法，包括新的電機(jī)效率技術(shù)。利用模擬電機(jī)電路的數(shù)字控制，系統(tǒng)成本和功耗可以大大降低。本文描述了基于飛思卡爾MC56F8013/23數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)的三相AC感應(yīng)電機(jī)矢量驅(qū)動(dòng)解決方案，為消費(fèi)和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)充分利用經(jīng)濟(jì)高效的解決方案的優(yōu)勢(shì)。 圖1 電機(jī)總覽 圖2 矢量控制變換 三相交流感應(yīng)電機(jī) ACIM是旨在從三相交流電源中運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。每個(gè)定子的內(nèi)部外設(shè)中的插槽都包含一個(gè)三相繞組。每個(gè)繞組中的順序都進(jìn)行分配，這樣定子繞組中 的電流就在氣隙的外設(shè)周圍產(chǎn)生一個(gè)近似正弦曲線分布的磁通密度。當(dāng)時(shí)間呈正弦曲線分布、但又以120度交錯(cuò)放置在相位中的三個(gè)電流流經(jīng)三個(gè)對(duì)稱放置的繞組 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生放射狀氣隙繞組磁通密度，它們也呈正弦曲線分布在氣隙周圍，以相當(dāng)于定子電流角頻率的角速度旋轉(zhuǎn)。 最常見的感應(yīng)電機(jī)類型有一個(gè)鼠籠轉(zhuǎn)子，其中，鋁導(dǎo)線或鋁條鑄入轉(zhuǎn)子外設(shè)的插槽中。轉(zhuǎn)子的兩端均使用鑄鋁端環(huán)形成鋁導(dǎo)線或鋁條短路，鑄鋁端環(huán)也可 用作風(fēng)機(jī)。因?yàn)檎仪�分布磁通密度波由定子勵(lì)磁電流掠過轉(zhuǎn)子導(dǎo)線產(chǎn)生，所以在導(dǎo)線中產(chǎn)生電壓，最終產(chǎn)生短路轉(zhuǎn)子條中的正弦曲線分布電流。因?yàn)檫@些短路鋁 條具有低電阻，所以只要求磁通波的角速度和兩極轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度之間的相對(duì)較小的角速度來生成必要的轉(zhuǎn)子電流。相對(duì)角速度叫作滑流速度。正弦曲線分布的氣 隙磁通密度和感應(yīng)轉(zhuǎn)子電流間的交互生成轉(zhuǎn)子上的扭矩。 AC感應(yīng)電機(jī)的矢量控制 為了實(shí)現(xiàn)三相AC感應(yīng)電機(jī)中的可變速度運(yùn)行，必須為電機(jī)提供可變電壓和可變頻率。現(xiàn)代三相可變速度驅(qū)動(dòng)(VSD)都配有數(shù)字控制的開關(guān)逆變器， 可以極大地降低系統(tǒng)總功耗。使用可變速度驅(qū)動(dòng)可以節(jié)省最多60%的電力，資源利用率可以提高三到四倍，能夠?qū)崿F(xiàn)以前不可能實(shí)現(xiàn)的功能。可變速度驅(qū)動(dòng)的功率 范圍在電冰箱壓縮機(jī)中為0.2~0.4kW，在洗衣機(jī)中為0.8~1kW，在住宅和公共服務(wù)的電氣驅(qū)動(dòng)中(例如多層住宅的冷水和熱水泵、中繼線中的冷水管 道等)為3~100kW。 控制算法可以分為兩大類。第一類是標(biāo)量控制，恒定電壓/頻率控制是非常流行的控制方法。另一類是矢量或磁場定向控制(FOC)，矢量控制方法能夠提供比標(biāo)量控制更高的驅(qū)動(dòng)性能。FOC的優(yōu)勢(shì)包括更高效率、完全扭矩控制、磁通和扭矩控制分離、動(dòng)力學(xué)改進(jìn)等。 FOC算法的基本理念是將定子電流分解為生成磁通的部分和生成扭矩的部分。兩個(gè)部分可以在分解后分別控制。這樣，電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)就與分別激振的DC電機(jī)的結(jié)構(gòu)一樣簡單。圖2顯示了AC感應(yīng)電機(jī)的矢量控制的基本結(jié)構(gòu)。 要執(zhí)行矢量控制，必須采取以下這些步驟：
要把電流分解為生成磁通的部分和生成扭矩的部分(isd、isq)，我們需要知道電機(jī)磁通的位置。這需要與轉(zhuǎn)子連接的速度或位置傳感器傳感準(zhǔn)確的速度信息。增量編碼器或解析器被作為矢量控制驅(qū)動(dòng)的位置傳導(dǎo)器使用。在成本敏感的應(yīng)用中(如洗衣機(jī))，測速發(fā)電機(jī)被廣泛采用。然而在有些應(yīng)用中，并不需要使用速度/位置傳感器。目的并不是直接測量速度/位置，而是采用某些間接方法，估算轉(zhuǎn)子位置。那些沒有采用速度傳感器的算法被稱為“無傳感器控制”。 矢量控制算法描述 已實(shí)施的控制算法的概述框圖請(qǐng)見圖3。與其他面向矢量控制的方法一樣，它能夠分別控制感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁和扭矩。控制的目的是為了調(diào)節(jié)電機(jī)速度，速 度命令值由高級(jí)控制進(jìn)行設(shè)置。該算法在兩條控制回路中實(shí)施，快速內(nèi)部控制回路實(shí)施采用125 μs周期，慢速外部控制回路的實(shí)施采用1毫秒周期。 為了實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)控制，該算法使用一組饋入信號(hào)。基本饋入信號(hào)是DC總線電壓、三相定子電流，它們是從DC總線電流和電機(jī)速度重構(gòu)而來。為了實(shí)現(xiàn)正確操作，控制結(jié)構(gòu)要求電機(jī)軸上有速度傳感器。在提供算法的情況下，使用增量編碼器。 圖3 控制算法框圖 快速控制回路實(shí)施兩個(gè)獨(dú)立電流控制回路，它們是直軸和正交軸電流(isd、isq)PI控制器。直軸電流(isd)用于控制轉(zhuǎn)子磁通，正交軸電 流(isq)對(duì)應(yīng)電機(jī)扭矩。電流PI控制器的輸出用去藕定子電壓的相應(yīng)d和q軸部分進(jìn)行匯總，這樣我們就獲得了應(yīng)用于電機(jī)的定子電壓的理想空間矢量。快速 控制回路執(zhí)行所有必要任務(wù)，支持定子電流部分的獨(dú)立控制。這些功能模塊包括：
慢速控制回路執(zhí)行速度和磁場弱化控制器和低優(yōu)先級(jí)控制任務(wù)。PI速度控制器輸出為生成定子電流的正交軸分量(isq)的扭矩設(shè)置參考。生成定子 電流的直軸分量(isd)的磁通參考由磁場弱化控制器設(shè)置。自適應(yīng)電路糾正轉(zhuǎn)子時(shí)間常量，最大限度地減少轉(zhuǎn)子磁通位置估算的錯(cuò)誤。 系統(tǒng)概念 飛思卡爾MC56F80xx系列非常適合數(shù)字電機(jī)控制，它在一粒芯片上集DSP的計(jì)算能力和MCU的控制器功能于一身。 MC56F80xx系列成員提供下列外設(shè)塊：
帶有單旁路傳感器的三相ACIM矢量控制大大受益于靈活的PWM 模塊、快速ADC和四任務(wù)定時(shí)器模塊。PWM的配置靈活性實(shí)現(xiàn)了有效的三相電機(jī)控制。PWM模塊能夠在中央對(duì)齊配置中生成不對(duì)稱PWM占空比。我們能夠從 中受益，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵開關(guān)模式的三相電流重構(gòu)。PWM重載SYNC信號(hào)生成，提供與其他模塊(四任務(wù)定時(shí)器、ADC)的同步。該應(yīng)用在同步模式中使用ADC 塊，并與PWM脈沖同步。這種配置能夠在要求的時(shí)間內(nèi)，同步轉(zhuǎn)換DC總線電流和電壓所需的模擬值。ADC轉(zhuǎn)換由PWM直接觸發(fā)，無需DSC內(nèi)核中繼該事 件，從而實(shí)現(xiàn)可預(yù)測的、相對(duì)恒定的定時(shí)。
四任務(wù)定時(shí)器是一個(gè)極度靈活的模塊，提供與時(shí)間事件有關(guān)的所有必要服務(wù)。該應(yīng)用使用四條信道：
自適應(yīng)閉路轉(zhuǎn)子磁通估算增強(qiáng)控制性能，提高系統(tǒng)的總體穩(wěn)健性。通過這種方式，參數(shù)漂移敏感性就大大降低。該算法實(shí)施單旁路電流傳感，將三個(gè)電流傳感器減為一個(gè)，最大限度地減少了系統(tǒng)成本。 另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是高達(dá)20,000 rpm的大范圍電機(jī)運(yùn)行速度。舉例來說，洗衣機(jī)就需要這種高速度。水平洗衣機(jī)中，電機(jī)和滾筒速度的比率大約為10:1，因此要達(dá)到2,000rpm的滾筒 速度，電機(jī)必須以20,000rpm速度運(yùn)行。洗衣機(jī)的三相感應(yīng)電機(jī)的標(biāo)稱速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于20,000rpm (通常為6,000rpm)。使用磁場弱化算法可以達(dá)到更高速度，這能夠讓電機(jī)超過標(biāo)稱速度，同時(shí)磁通維持在標(biāo)稱電機(jī)電壓。通過磁場弱化算法，使用一個(gè)標(biāo) 稱速度較低但運(yùn)行速度最高可達(dá)20,000rpm的電機(jī)，可以大大節(jié)省成本和能源。 三相電流重構(gòu) 矢量控制算法需要三相電機(jī)電流傳感。標(biāo)準(zhǔn)方法是直接通過電流互感器或霍爾效應(yīng)傳感器傳感相電流，霍爾效應(yīng)傳感器直接連接到承載開關(guān)和電機(jī)間的電流的電機(jī)相位線。要減少電流傳感器的數(shù)量和設(shè)計(jì)總成本，采用單DC鏈路電流分流傳感器方式測量三相定子電流(見圖5)。 DC鏈路電流脈沖按照準(zhǔn)確定時(shí)間隔進(jìn)行采樣。分流電阻器上的電壓降使用三相驅(qū)動(dòng)內(nèi)的運(yùn)算放大器放大，并提高1.65V。合成電壓使用ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
定子的三相電流的重構(gòu)基于開關(guān)的實(shí)際組合。ADC測量PWM循環(huán)的活動(dòng)矢量過程中的DC鏈路電流。當(dāng)應(yīng)用電壓矢量V1時(shí)，電流從正軌流到相A繞
組，再通過B和C相繞組返回負(fù)軌。當(dāng)應(yīng)用電壓矢量V2時(shí)，返回負(fù)軌的DC鏈路電流等于T相電流，因此在每個(gè)扇區(qū)中，提供兩相電流測量值。也可能計(jì)算三相電
流值，因?yàn)槿齻�(gè)繞組電流的總和為零。電壓矢量組合和相應(yīng)重構(gòu)的電機(jī)相電流顯示在表1中。
風(fēng)機(jī)能源成本估算示例 水泵和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)占行業(yè)中所有電機(jī)應(yīng)用的近40%。風(fēng)機(jī)的輸入功率與氣流的立方成正比。例如，如果100%的氣流需要全功率，75%的氣流理論上 需要 (0.75)3=全功率的42%。盡管這是零靜電噪聲條件下的理論節(jié)省數(shù)字，但即使是在實(shí)際應(yīng)用中，也可以實(shí)現(xiàn)巨大的能源節(jié)省。VSD通常多用于節(jié)省離心 風(fēng)機(jī)和水泵的能源。估算類似應(yīng)用的節(jié)省時(shí)，使用風(fēng)機(jī)定律會(huì)非常有用，該定律涉及到空氣(液體)流動(dòng)、輸入功率和電機(jī)速度。 風(fēng)機(jī)定律等式 Q2/Q1=N2/N1 P2/P1=(N2/N1)2 HP2/HP1=(N2/N1)3 其中：Q1，Q2—初始和新的體積流量(l/s) P1，P2—初始和新的壓力或壓頭(kPa) N1，N2—初始和新的風(fēng)機(jī)速度(rpm) HP1，HP2—初始和新的風(fēng)機(jī)輸入功率(kW) 供應(yīng)具有兩種流量條件的冷卻水系統(tǒng)的集中水廠是風(fēng)機(jī)定律應(yīng)用的最好例子。系統(tǒng)由電子傳動(dòng)器控制，電子傳動(dòng)器按照系統(tǒng)要求節(jié)流閥控制水流。當(dāng)節(jié)流 閥完全打開時(shí)，每秒流量為80升(l/s)，而測量的功耗為20 kW。當(dāng)使用節(jié)流閥把流速降到65 l/s 時(shí)，測量的功耗為18 kW。系統(tǒng)每年運(yùn)行8,760小時(shí)，節(jié)流控制情況和不節(jié)流控制情況各占60%和40%。通過安裝VSD，節(jié)省的能量可以計(jì)算如下： HP2/HP1=(N2/N1)3 As HP2/HP1=(Q2/Q1)3 HP2/20[kW]=(65 [l/s]/80[l/s])3 HP2=(65[l/s]/80[l/s])3*20[kW] HP2=10.77kW 該算式顯示，在系統(tǒng)被節(jié)流控制的60%的時(shí)間里，節(jié)省大約等于： 8760小時(shí)/年* .60 * (18 kW-10.77kW) =38,001kWh 當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，應(yīng)使用VSD：
結(jié)論 基于飛思卡爾MC56F80xx DSC的解決方案是各種工業(yè)和消費(fèi)電機(jī)控制應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)。DSC能夠全面控制交流電感應(yīng)電機(jī)，因此它始終以最佳效率運(yùn)行。盡管電機(jī)的容量對(duì)應(yīng)處理 需求，但與全速運(yùn)行的電機(jī)的浪費(fèi)相比，可變速度驅(qū)動(dòng)可以節(jié)省大量能源。這減少了電機(jī)的壓力和張力，延長了電機(jī)的電氣和機(jī)械壽命。隨著能源價(jià)格的上漲，飛思 卡爾DSC為電動(dòng)機(jī)的能源節(jié)省推出了一款智能選件。 參考文獻(xiàn)： [1] AN3476 - Washing Machine Three-Phase AC-Induction Direct Vector Control , rev #1, 08/16/2007 [2] RDDSCACIMVC - 3-Phase AC Induction Vector Control Drive with Single Shunt Current Sensing, (DRM092, Rev#0, 07/24/2007) [3] Motors and Variable Speed Drives, www.sedo.energy.wa.gov.au [4] MC56F80xx Freescale DSC - www.freescale.com [5] 3-Pahse AC Induction Motor - www.freescale.com/motorcontrol |
