無傳感器交流電動機控制技術提高了運行效率

在家用電氣市場領域，全球范圍的節能和節水呼聲非常高。政府法令和建議條款正在重新定義一個節能和合理高效使用能源的時代。為了滿足政府的政策規定，以及降低系統成本，應用設計工程師正在使用高性能的數字信號控制器（DSC）。

基于數字信號控制技術的控制方案使用一個具有MCU功能的數字信號處理器，用于控制電動機的供電，這種方案能夠非常容易的在單芯片上實現。此外，靈活的外圍設備也可以令設計工程師非常方便地實現各種各樣的功能。使用可調速電動機驅動器讓設計工程師有機會設計更多非常復雜和精確的控制程序，并可以增強設備的性能，同時又能提高能效。

絕大多數家用電氣中電動機所用的電子驅動器的控制是非常簡單的，要么使用固定恒速電動機，要么就直接由交流電源驅動，而不需要額外的控制電路。交流單相感應電動機（ACIM）由于成本低和可靠性高而得到非常廣泛的應用，但它的效率低，而且調速困難。調速電動機驅動器通過保持精確的轉速控制，可以滿足能效需求。

交流電動機的選擇
可以選擇的電動機類型有交流單相感應電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機。為了對交流單相感應電動機調速，就必須調整供電的頻率和電壓，這通常是指恒定電壓/Hz控制。單相感應電動機速度驅動的效率可以通過使用向量控制得到改善，但需要通過速度或位置傳感器來精確測量速度，其結果就是成本會提高，而且需要很多配線。

永磁電動機不使用定子繞組實現磁場。使用永磁體代替電磁激勵有很多優點。最常見的就是不會有激勵損耗，這表明永磁電動機比其他電動機具有更高的功率密度。它的總體效率接近90%，而交流單相感應電動機的效率只有大約70%。永磁激勵的同步電動機對于家庭應用是非常具有吸引力的，但它們卻不能直接由交流供電。

調速電動機的驅動
如果電動機的電子控制器優化了速度扭矩比，消耗的總功率就可以降低至30%。交流調速驅動的控制器通過調整供給電動機的交流電頻率來設置速度。

如圖1所示，完整的調速驅動系統包括EMI濾波器、輸入整流器、直流供電、DSC（數字信號控制器）、信號調理電路，供電變極器，以及門控驅動器等。

圖1 使用供電變極器設置驅動頻率的調速控制

電機控制策略
在交流單相感應電動機的調速驅動中，開環標量控制是最普遍的控制策略。圖2描述了電機驅動頻率的標量控制，電壓的幅度與頻率成比例。這種技術需要能夠對功率進行適當的計算，并能夠被8位微控制器所處理。

圖2 向量控制提供了一種不需要旋轉傳感器的簡單方法

這種簡化方法的最大優點就是不需要傳感器，而且控制算法也不需要角速度或電機位置信息。速度是與外部負載的扭矩相關的，然而，這也是一個最大的缺點，也就是它會降低動態性能。由于這個原因，標量控制的電動機在負載瞬時變化時，就會輸出遠遠超過需要的扭矩。理論上，使用這種控制方法，能效可能低到50%。