白色家电：现代电器中的节能设计

2008年10月27日10:09:57 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：Aengus Murray，iMOTION产品管理总监，International Rectifier

从我们家庭中的冰箱、洗衣机和洗碗机，到我们的工厂和加工厂中的泵和风扇，以及我们的办公室中的空调系统，有许多中小型电机；不言而喻，需要有效地控制它们——这是21世纪生活的一个至关重要的单元。的确，在较近的评估反映了我们在商业、工业和家庭环境中依赖的电机的数量，电机占了整体能耗中的50%以上。

不过，问题在于绝大多数这些电机都不是非常高效的，不像感应电机、交直流两用电机那样，需要浪费机电动力。随着环境、立法和商业关注，以及电机设备使用的能量的重要部分，出现了工程师们需要找到改善其设计效率方法的迫切需求。

例如，假如一台冰箱大约占了一个家庭能源使用的15%，其中大多数浪费在了抽出机柜中的热量。传统的冰箱配备了单相感应电机，只工作在全速条件下——当内部温度升高到期望温度之上时压缩机电机开始工作。当期望温度达到时，它停止运行。那么，洗衣机又怎样呢？这里的大多数能量被消耗在加热大量的水。一个更高能量效率步骤就是减少洗涤周期所需的水量。在空调设备的情况下，它通常是家庭和办公室中的电能的较大用户，在那里可能有多个电机（如风扇和压缩机），增加了浪费的机会——特别是在那些较近做出了有关问题规定的国家，如中国的季节性能量额定效率（SEER），在刚刚过去的五年这里的空调使用已增加了大约400%。

调速电机控制

所有这些应用都有一个共同之处，即工程师们可以通过以基于变频的调速永磁同步电机（PMSM）解决方案来替代传统运动控制以显著改善设计效率。潜在的环境优势自不待言——据估计，以调速解决方案替代今天低效率的电机可以削减浪费掉的能源高达60%，这可以相当于一年节省3500亿欧元。全球每年。更有甚者，为了满足环境和立法对较低能源使用的要求，调速PM解决方案产生的声音和电气噪声更小；较低水平振动下的工作，可以提高产品的可靠性；并提供更精确的电机控制，从而实现将更多的功能融入了目标应用的目的。

直驱PM洗衣机

考虑直驱PM洗衣机电机的例子。洗衣机的直驱日渐流行，不仅由于可能提高效率，而且因为机械简单和通过消除传动带和变速箱获得了更高的可靠性。挑战在于，PM电机增加了电机设计的成本和控制的复杂性。同时，虽然大多数消费者自然渴望为环境尽一份力量，电器制造商理解他们不总是愿意支付额外的费用。

除了成本增加的一个重要因素是PM电机的复杂性，其控制要求转子位置信息。霍尔效应传感器是由转子磁铁驱动的，以单向提供必要的反馈，但是弊端在于传统的梯形换流会产生切换点的扭矩跳动。外部转子结构容易放大这些跳动的影响，导致不需要的噪声等进一步的问题。一个更加重要的问题在于，驱动扭矩速度曲线不能很好匹配实际的洗涤应用，这要求低速率的高扭矩和非常高速度的低扭矩。近来，采用霍尔切换点之间插值的技术已实现了正弦电流控制，它提供了低声学噪声、以及高速低扭矩运行的平稳的扭矩。不过，在这里霍尔传感器组件的现场可靠性仍是制造商的一个主要问题，而消费者指望较小保修和维护成本。

因此，工程师们需要有助于提供必要的效率提高，同时无需传感器和减少总成本、以及伴随调速电机驱动设计和方案的时间和风险的新方法。这种需求需要采用集成的、基于平台的无传感器电机控制技术，有助于“构建模块”的结合提供实现调速电机驱动所需的功能，同时提供特定应用配置的灵活性。

用于洗衣机PM电机的无传感器控制设计平台

图1. 洗衣机设计平台。

图1所示为用于直驱洗衣机的数字控制变频PM电机解决方案设计平台。即所谓iMOTION，国际整流器的这个平台可以为设计人员提供一个集成的、系统级方法，实现节能、变速正弦电流控制，而无需使用位置传感器。该平台将为设计者提供需要发挥调速运动控制优点的所有内容。

电器控制IC集成了采用直流母线电流测量的PMSM无传感器速度控制所需的所有控制和模拟接口功能。该集成电路上的模拟功能包括差动放大器、双采样和保持电路，以及直流母线分流低电压信号采样所需的12位A/D转换器。该变频电源模块集成了带有六个IGBT开关的高压栅极动IC。该模块包括用于电机电流测量和电源模块保护的直流母线分流。电机控制算法采用硬件执行，利用的是该集成电路的专用运动控制引擎™（MCE），而电器应用软件独立运行在集成在一起的8位处理器中。

数字控制算法

数字控制算法如图2所示，集成了相位电流重建和转子角度估算，采用了一种磁场定向控制（FOC）算法控制电机电流。

图2. 无传感器电机控制算法。

磁场定向控制使用矢量旋转去耦交流电机绕组电流，变成两个DC分量控制扭矩（IQ）和通量（ID）。这简化了控制器设计，因为电流环路调整独立于电机速度。

外部的速度环路根据速度误差计算IQ环路的扭矩参考指令。在输入到速度环路之间有一个RAMP功能，可限制设定极限值内的加速，而输出的LIMIT功能可限制电机电流。一个额外控制功能引入了相位提前可以优化驱动内部永磁电机（IPM）时的扭矩输出。低速时通量参考设定为零可以优化每安培扭矩，也可以设定为负值以削弱高速运行时的通量。磁场弱化算法计算优化的ID参考电流以优化使用的变频器电压。

运动控制引擎

数字控制器使用来自控制IC的运动控制引擎的库宏块执行，如图3所示。MCE库包括PI补偿器、限制功能和矢量旋转等功能，这些普遍应用于电机控制算法。

图3. 运动控制引擎。

算法的定制使用图形编辑工具，无需软件编码。算法执行速度可能比RISC或DSP快一至两倍，因为如此多的时间关键型控制计算都是使用专用硬件执行的。

控制参数和系统变量存储在共享数据RAM当中，也可以由集成在一起的8位微控制器进行存取。这将有助于洗衣机应用软件轻松改变控制设定值，如目标速度或监视控制变量，如扭矩电流（IQ）。由于软件可以在独立的8位处理器上以C语言开发，电器工程师不必成为电机控制的专家就可以开发应用。

总结

调速无传感器PM电机解决方案在洗衣机等中的应用将发挥重要的作用，可以提供改善的效率，以保护我们的自然资源，满足环境要求。现在，通过组合数字控制器IC、模拟栅极驱动器、保护IC和功率传送级，如国际整流器的iMOTION平台的新技术有助于工程师们实现这些应用，而不需要陷入成本、电路复杂性或上市时间的影响。

白色家电：现代电器中的节能设计

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