圖1：無傳感器PM控制算法

在過去的十幾年中，日本的制造商采用可變速永磁體電機(jī)不斷提高家用電器的效率。其中的控制系統(tǒng)使用一種電功率變換器來改變電機(jī)繞組電壓的頻率從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在有些家用電器當(dāng)中（例如電風(fēng)扇），他們使用霍爾傳感器來探測轉(zhuǎn)子的位置，將繞組的切換同轉(zhuǎn)子磁體的位置同步起來從而盡量提高效率，同時還可以簡化啟動過程。這種方法的優(yōu)點是只需要非常簡單的電子回路就可以實現(xiàn)控制要求。但是一臺密封的壓縮機(jī)是無法安裝霍爾傳感器的，因此需要一種無傳感器的算法。一種用于6步永磁體電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的流行的無傳感器算法采用探測繞組反電勢的零交叉來檢測轉(zhuǎn)子的位置。這種控制算法通常使用一個8位的微處理器來管理相位超前和啟動順序。這種6步系統(tǒng)有一個缺點，當(dāng)電機(jī)的電流在繞組之間切換（變換電流方向）的時候會產(chǎn)生一種扭矩干擾。在許多風(fēng)扇和水泵的應(yīng)用當(dāng)中這種扭矩干擾會產(chǎn)生一種煩人的噪音，尤其是在低速時，而這時風(fēng)扇葉片幾乎不發(fā)出聲音。為了有助于減輕這種噪音，這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子配置了表面安裝的磁體來降低繞組的感應(yīng)系數(shù)，同時使變換電流方向的周期最短。不過理想的解決方案是采用正弦電流來驅(qū)動電機(jī)，這樣可以完全消除這類扭矩干擾。這種類型的控制還使應(yīng)用另一種采用內(nèi)置永磁體（IPM）設(shè)計的電機(jī)成為可能。這種內(nèi)置永磁體（IPM）設(shè)計的電機(jī)能夠產(chǎn)生比永磁體電機(jī)多15%的扭矩，還具有進(jìn)一步提高效率的潛力。IPM設(shè)計的壓縮機(jī)電機(jī)的效率可以超過90％，與單相感應(yīng)電機(jī)65％的效率相比極大的減少了能量浪費。也就是說一臺采用3kW單相感應(yīng)電機(jī)的壓縮機(jī)如果使用IPM電機(jī)將只需要1.75kW。

最近在電子技術(shù)硬件和控制技術(shù)方面取得的進(jìn)展使得為IPM電機(jī)制造具有更高效費比的驅(qū)動設(shè)備成為可能。為了以正弦電流驅(qū)動IPM電機(jī)，最大程度的提高驅(qū)動效率、降低噪聲，我們需要一種場定向控制算法（FOC）。無傳感器算法必須能夠僅僅根據(jù)電機(jī)的電流測量就能檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。最后，這種控制硬件還必須在沒有昂貴的隔離回路的情況下監(jiān)測電機(jī)繞組的電流。下一節(jié)將會介紹這種無傳感器控制算法和在永磁體交流電機(jī)上進(jìn)行正弦控制的電流傳感器硬件。這種算法使得壓縮機(jī)可以使用高效率的IPM電機(jī)，并且使采用表面安裝磁體電機(jī)或IPM電機(jī)的風(fēng)扇可以取消霍爾傳感器。

無傳感器控制算法

圖1當(dāng)中的控制算法包含了在無傳感器的情況下用正弦電流驅(qū)動一臺IPM電機(jī)或者表面安裝磁體電機(jī)所需要的所有控制功能。這種算法的一個關(guān)鍵要素是一種使用了矢量旋轉(zhuǎn)模塊(e-j)的場定向控制結(jié)構(gòu)，這種場定向控制結(jié)構(gòu)同時還可以將交流的電機(jī)繞組電流轉(zhuǎn)換成2路直流電流分量，一路用來產(chǎn)生扭矩，另一路用來控制磁通量。輸入給旋轉(zhuǎn)模塊的電流最初采用Clarke變換模塊從3相變換為等值的2相電流。轉(zhuǎn)子磁通量角使電流分割成D分量，D分量與磁通量結(jié)合到一起。Q分量用來產(chǎn)生扭矩。2個電流控制PI補(bǔ)償器的整定與電機(jī)繞組的RL時間常數(shù)相互匹配并且無需隨著交流繞組電流頻率的改變而改變。前向矢量旋轉(zhuǎn)模塊(ej)將PI補(bǔ)償器的直流電壓輸出轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子頻率相符的交流電壓?？臻g矢量PWM單元根據(jù)計算出來的交流電壓要求計算功率轉(zhuǎn)換二極管的切換時間?？臻g矢量調(diào)制自動加入3階諧波來產(chǎn)生正弦電壓調(diào)制，最大限度的利用直流總線上的電壓。其中還包括了一種2相調(diào)制功能，可以盡量降低功率轉(zhuǎn)換器的切換損失。

最大限度的提高每安培電流的電機(jī)扭矩輸出，使電機(jī)的效率最高。對于表面安裝磁體電機(jī)來說，就是控制器將電流（ID）的磁通量分量保持在0水平來使電機(jī)效率最高。但是由于IPM電機(jī)特別的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一臺IPM電機(jī)會產(chǎn)生一個被稱為磁阻扭矩的附加扭矩分量。在驅(qū)動一臺IPM電機(jī)的時候，IPM控制模塊會將ID電流從0開始增加，這是IQ目標(biāo)的一個功能，目的是讓電機(jī)運行在效率最高的工作點。在任何的情況下，速度回路補(bǔ)償器都會計算將速度維持在目標(biāo)值所需要的扭矩電流。在有些應(yīng)用當(dāng)中，例如洗衣機(jī)，需要比較寬的速度范圍。在這種情況下場電流減弱控制功能會加入負(fù)磁通量電流（ID）來降低電機(jī)的有效反電動勢，并且在反電動勢達(dá)到直流總線電壓限制之前允許電機(jī)運行在比較高的轉(zhuǎn)速下。

目前有許多工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)使用這里介紹的算法結(jié)構(gòu)，但是這種算法結(jié)構(gòu)要求電機(jī)具備解碼器或是編碼器反饋。這種算法結(jié)構(gòu)具有一個獨特的特點，就是它能夠通過電機(jī)繞組電流來推算出轉(zhuǎn)子的位置和速度而無需物理傳感器。這種無傳感器算法通過下面等式表示的電機(jī)回路模型推導(dǎo)出電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通量狀況。控制器驅(qū)動定子的電壓，同時電流重建回路檢測電機(jī)的總電流。對等式的各項進(jìn)行一個簡單的重新排列和數(shù)學(xué)合并就能夠產(chǎn)生sine和cosine項。一個相位鎖定的回路不斷跟蹤這個算法，推導(dǎo)出角度和速度，就類似于用在IC數(shù)字變換解碼器上的類型。

這種算法的第二個特點是相電流變送單元根據(jù)換流器直流鏈接的電流量來推算出電機(jī)的相電流。參見圖2的說明，對于任何一個運行中的換流器單元來說，總有一個繞組被連接到一個總線導(dǎo)軌，同時有另外2個繞組被連接到其它總線導(dǎo)軌。這就是說每一個PWM循環(huán)都會有2個電機(jī)繞組的電流值可用。相電流變送單元包括一個根據(jù)SVPWM輸入運行的采樣計時發(fā)生器、一個采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和計算三相電流的數(shù)學(xué)運算單元。這種方式的明顯優(yōu)點是可以不需要隔離的電流傳感器以及能夠讓無傳感器算法在家用電器上的應(yīng)用具有更高的效/費比。

無傳感器控制算法是一套應(yīng)用于家用電器電機(jī)控制的一體化設(shè)計平臺的一個組成部分。一個混合的信號控制IC能夠以硬件方式執(zhí)行這種算法，不需要進(jìn)行任何復(fù)雜冗長而且很容易出錯的軟件開發(fā)。這個IC集成了電流測量所需的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和緩沖放大器。你可以在圖1中看到包括故障檢測功能和開車順序的附加硬件功能。最后，這個控制IC還集成了一個自帶內(nèi)存的8位微處理器內(nèi)核用來執(zhí)行家用電器工程師規(guī)定的其它應(yīng)用功能。