通過智能電機控制優(yōu)化實時性能與效率

　　摘要：本文介紹了高級電機的類型及利弊，并介紹了集成型電機控制方案。

　　關(guān)鍵詞：智能;電機控制;MCU;集成型

　　數(shù)十年來，大多數(shù)電機控制應(yīng)用都依賴于可為其實現(xiàn)低成本與實施簡便性的通用有刷 DC 與步進電機。不過，隨著微處理器 (MCU) 架構(gòu)的不斷創(chuàng)新與集成度的不斷提高，當(dāng)今開發(fā)人員能夠采用更先進與更智能的電機類型與控制機制，以極低的成本提高電機的精度、性能、電源效率和使用一系列狀態(tài)簡化控制復(fù)雜性。所支持的狀態(tài)越多，對位置的控制精確度就越高，但這同時也意味著需要更復(fù)雜的處理過程壽命。

　　高級電機類型

　　AC 電感 (ACI) 電機能很好地滿足各種不同高性能應(yīng)用的需求，其中包括白色家電、泵、風(fēng)扇以及壓縮機等(如冰箱和 HVAC 系統(tǒng))。由于電機的內(nèi)部定子和轉(zhuǎn)子由可變電流控制且以不同的速度旋轉(zhuǎn)，因而 ACI 電機采“持續(xù)”的控制方案來提高定位精度。PMSM 可實現(xiàn)低噪聲工作和最小轉(zhuǎn)矩，理想適用于需要高精度位置控制、超高速度和/或極高轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用用異步工作模式。ACI 擁有優(yōu)異的速度與扭矩控制，能夠以較低的成本實現(xiàn)卓越的穩(wěn)健性，且在高速情況下具有出色的效率。ACI 的主要劣勢在于其需要復(fù)雜的反饋和控制機制，才能避免速度變化和較低速度時的效率不受影響。

　　無刷 DC (BLDC) 電機采用同步工作模式，可通過可變電流控制定子磁通量，而定子磁通量則由永磁線圈或電流饋電線圈保持為常量。同步控制能夠提供非常高的位置精度，以及更高的電源效率(也就是說，由于磁鐵固有的磁通量，因而驅(qū)動電機所需的電流可以降低)。BLDC 電機采用一系列狀態(tài)(參見圖 1)對位置進行控制。所支持的狀態(tài)越多，對位置的控制精確度就越高，但這同時也意味著需要更復(fù)雜的處理過程。由于 BLDC 為無刷操作，因而理想適用于維護和磨損對總擁有成本影響較大的應(yīng)用領(lǐng)域。BLDC 是發(fā)展速度最快的一種電機類型，能針對中高扭矩實現(xiàn)高效可靠的操作，具有高功率密度和可用于易燃環(huán)境等特性，非常適用于自動化、牽引、精密設(shè)備和白色家電等應(yīng)用。由于 BLDC 采用簡單的換向技術(shù)，因而這種系統(tǒng)復(fù)雜度較低、重量較輕，有助于實現(xiàn)小尺寸、高效率、低成本等優(yōu)異特性，而且在變速及低速情況下均能實現(xiàn)出色性能。

　　永磁同步電機 (PMSM) 與 BLDC 電機的不同之處在于采用了“持續(xù)”的控制方案(參見圖 2)。也就是說，PMSM 可實現(xiàn)低噪聲工作、最小的換向轉(zhuǎn)矩紋波，且能與低成本的分布繞組協(xié)同配合。其可支持更高的最高可達速度和更高的效率與轉(zhuǎn)矩，因此非常適用于需要高精度位置控制、超高速度和/或極高轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用，例如牽引、高精度自動化(機器人)以及混合動力/電動汽車等。

　　智能控制機制

　　對于如何控制不同類型的電機而言，開發(fā)人員有許多選擇，具體取決于保持電機效率的工作范圍(如高/低速度、高轉(zhuǎn)矩)以及需要多高的精度(如位置、速度、轉(zhuǎn)矩等)。每一種控制機制都在成本、電源效率、精度和性能方面擁有最佳的平衡點。

　　簡單的標(biāo)量控制(也稱為 V/f 或單位頻率電壓)是一種用于驅(qū)動 ACI 電機的流行方法，因為這種方法實施起來簡單直接，且其相應(yīng)的處理要求也不高。可通過改變用于驅(qū)動電機的正弦波頻率來管理速度，無需控制電流或優(yōu)化轉(zhuǎn)矩。但是，簡單的標(biāo)量控制在高速和低速情況下轉(zhuǎn)矩效率均較低，動態(tài)性能不佳，對變化的響應(yīng)遲緩，對設(shè)置點產(chǎn)生過沖，并在低速情況下內(nèi)部電源損耗非常嚴(yán)重。

　　磁場定向控制 (FOC) 相對于簡單標(biāo)量控制而言，F(xiàn)OC是一種智能化程度更高的控制機制，根據(jù)應(yīng)用的不同，其更高的復(fù)雜性能實現(xiàn)相對更出色的低成本性和電源效率以及更高的精度和性能。此外，F(xiàn)OC 也稱為矢量控制，能在整個轉(zhuǎn)矩和速度范圍內(nèi)實現(xiàn)對 ACI 和 PMSM 電機(表 1)的最佳控制。FOC 不僅能在最小化轉(zhuǎn)矩紋波的同時提升起始轉(zhuǎn)矩，而且還能有效支持所有速度的最大轉(zhuǎn)矩。其可對變化進行快速響應(yīng)并能在滿負載條件下保持零速，從而可在整個電機速度范圍內(nèi)確保性能穩(wěn)定可靠。由于 FOC 采用電流控制模式，因而開發(fā)人員可根據(jù)特定應(yīng)用來相應(yīng)優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器電路和電機大小。

　　梯形與正弦控制是 BLDC 電機控制兩種最主要的選擇。由于梯形控制比較簡單且成本較低，因而傳統(tǒng)上一直屬于首選方法。但是，為了實現(xiàn)更順暢的操作、更及時的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性以及更低的電氣噪聲，現(xiàn)在許多開發(fā)人員開始轉(zhuǎn)而采用正弦控制方法。這不僅能提高性能和效率，還能配合分布繞組工作，且在較高速度條件下也能表現(xiàn)出更強大的控制能力，從而有助于 OEM 廠商實現(xiàn)出色的系統(tǒng)差異化。例如，梯形控制法的 EMI(電磁干擾)較高，會造成電機系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而顯著影響性能，同時還會加大人耳可覺察的干擾噪音。