高成本效益的AC感應電機轉差控制優化方案

　　隨著AC感應電機成為工業電機的首選，全方位降低設計功耗的需求不斷涌現，因此提高這些電機的效率變得非常重要。在AC感應電機中，獲得所需轉矩和效率性能的關鍵在于轉差控制機制的優化。為了實現轉差優化，帶有高集成度控制邏輯的緊密控制回路是必不可少的。

　　大部分電流解決方案都是基于處理器的，這些處理器運行相當復雜的軟件程序以實現高效運作。在基于軟件的系統中，處理器帶寬和計算時間大大限制了響應能力，因而也限制了這些解決方案的功效。若采用功能較強大的處理器來實現，雖能夠加快處理速度，提高功效，但卻又會產生額外的成本。

　　直接在 FPGA 邏輯門中實現控制算法是一種高成本效益的替代方案，I/O響應的速度更快。設計人員可以獲取設計所需的知識產權(IP)，而且采用可重編程FPGA，系統可以隨技術的改進而升級。不過，外部處理器和閃存查找表 (LUT) 仍然是兩大性能瓶頸。

　　高集成度混合信號FPGA帶有嵌入式非易失性存儲器和軟或硬處理器內核，為緊密控制回路和加快轉差控制處理提供了理想的解決方案，從而提高了AC感應電機的效率。由于所有的處理能力、LUT以及直接控制算法均集成在單個可重編程芯片中，因此這種解決方案較傳統解決方案更精確、更高效，而成本也更低。

　　AC感應電機的基本原理

　　在AC感應電機中，籠條 (cage) 或靜態部件 (定子, stator ) 上的三相電能通過電磁感應被轉換為旋轉部件 (轉子, rotor) 上的機械能。轉子是沒有直接供電的，轉子上的電流由定子產生的旋轉磁場所感應，產生一個磁場，并與定子產生的旋轉磁場相互作用，從而導致轉子轉動。所謂的轉差 (slip)，就是轉子轉動的速度與定子產生的旋轉磁場旋轉的速度之間的比值。

　　當轉子的轉動速度幾乎達到定子的磁場旋轉速度時，感應電機的效率最高，這時的轉差接近零。不過，在負載較大的情況下，為提高轉矩，最好選擇較大的轉差，如圖1所示。最優化轉差控制采用了多種算法，以便及時在最高效率或最大轉矩之間找到最佳平衡點。圖1給出了效率/轉差曲線及轉矩/轉差曲線。

　　轉差計算

　　三相AC電機是針對AC電源工作而設計的，具有固定的電壓和頻率。電機的電源頻率和磁極數目決定了AC電機的同步速度 (旋轉磁場的速度)。

　　如果感應電機的電源頻率為

　　f = p*n/2

　　這里f是電源頻率，P是磁極對數，n是旋轉磁場的速度，那么感應電機的旋轉磁場速度便是：

　　n = 2f/p revs/second or n = 120f/p revs/ minute

　　而轉子速度為：

　　r = n(1-S)

　　這里 “S” 就是轉差。轉差是一個比值，沒有單位。

　　轉差S = n-r/n

　　轉差頻率為電源頻率，用以維持所需轉差值。

　　例如，一個由 60 MHz AC 線供電的四極電機的同步速度為120*60/4=1800rpm。然而，電機的負載水平不可能是固定不變的，負載決定電機的轉差和電機軸的實際速度。其中，轉差對電機轉矩及工作的影響相當大。在控制算法中，轉差控制是決定電機效率及性能的關鍵因素。

　　在AC電機控制中，高效轉差控制方法的選擇極為重要，對于需要重負載運作的工業自動化應用來說尤其如此。