電器設(shè)計(jì)中的電機(jī)控制趨勢(shì)

許多家用電器都包括一個(gè)或多個(gè)對(duì)其功能至關(guān)重要的電機(jī)。在不斷提高市場(chǎng)份額的斗爭(zhēng)中，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)力求使其產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。本文將探討五個(gè)主要趨勢(shì)，這些趨勢(shì)塑造了電器電機(jī)控制的未來(lái)，電器電機(jī)控制適用于從HVAC系統(tǒng)到食品加工的所有領(lǐng)域。 

能效

最大限度地降低電機(jī)和壓縮機(jī)的功耗仍然是電器設(shè)計(jì)的大趨勢(shì)之一。在很大程度上，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）家用電器能源之星計(jì)劃推動(dòng)著這一進(jìn)程。這項(xiàng)計(jì)劃會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)級(jí)并提供相應(yīng)的標(biāo)簽，顯示運(yùn)行該設(shè)備所需的全年電量（kWh）。更高效的產(chǎn)品將獲得能源之星評(píng)級(jí)，而這是許多消費(fèi)者眼中的必備家電屬性。許多其他國(guó)家/地區(qū)的政府提供類(lèi)似的評(píng)級(jí)系統(tǒng)。

低端設(shè)備通常使用交流感應(yīng)電機(jī)（ACIM）。使用變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）可以相對(duì)簡(jiǎn)單地控制這些電機(jī)。在這種技術(shù)中，三相正弦波形為電動(dòng)機(jī)的繞組供電。電機(jī)的控制通過(guò)改變脈寬調(diào)制（PWM）占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，PWM占空比通過(guò)其變化率來(lái)設(shè)置電壓和頻率。

對(duì)于VFD，只要負(fù)載不變，即可通過(guò)使電壓與頻率之比保持恒定來(lái)提供恒定的轉(zhuǎn)矩。遺憾的是，裝備有VFD的ACIM對(duì)變化的負(fù)載或速度請(qǐng)求的反應(yīng)緩慢，這降低了它的效率。例如，洗衣機(jī)通常使用ACIM，并且ACIM對(duì)可變負(fù)載的變化反應(yīng)不佳。當(dāng)濕衣服在滾筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)，或者在攪拌期間滾筒旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。

提高效率的最直接方法是改變運(yùn)行設(shè)備的電機(jī)類(lèi)型。高端設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始采用一種新型電機(jī)，稱(chēng)為永磁同步電機(jī)（PMSM）。由于設(shè)計(jì)原因，這種電機(jī)提供了更好的控制，但制造成本也更高。

PMSM的效率更高，因?yàn)樗鼈冊(cè)谵D(zhuǎn)子中使用永磁體，而感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子使用的繞線線圈需要額外的能量來(lái)維持磁場(chǎng)。PMSM設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以使用一種稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制（FOC）的改進(jìn)控制算法，這種算法可以在更寬的負(fù)載或速度范圍內(nèi)非常精確地控制電機(jī)使用的能量。使用數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）來(lái)控制PMSM（例如Microchip的dsPIC33EV系列），可以幫助提高這些電機(jī)的能效并實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲運(yùn)行。

此外，使用具有FOC的PMSM可以節(jié)省大量能源。例如，冰箱的壓縮機(jī)是一種專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電機(jī)，通過(guò)將控制范圍擴(kuò)展到非常低的速度（如800 rpm），在冷卻系統(tǒng)中泵送冷卻液。因此，使用的功率降低了約30%。這可以顯著提高設(shè)備的能源星級(jí)。其他研究表明，PMSM在將電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩方面可以達(dá)到90%的效率。

更高速

反過(guò)來(lái)看，諸如電鉆、HVAC和排氣扇等電器需要非常高的速度。磁場(chǎng)削弱（也稱(chēng)磁通削弱）是一種控制技術(shù)，能夠以快于FOC技術(shù)的速度旋轉(zhuǎn)電機(jī)。為此，轉(zhuǎn)子磁體之后遇到的定子繞組中的電壓場(chǎng)以抵消轉(zhuǎn)子磁體中某些磁場(chǎng)（稱(chēng)為磁通）的方式進(jìn)行充電。當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁鐵與繞組對(duì)齊時(shí)，這會(huì)降低電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力效果。這種阻力稱(chēng)為反向電磁力（BEMF）。通過(guò)磁場(chǎng)削弱降低BEMF，可以將電機(jī)的最高速度從25%提高到100%，只要該時(shí)間點(diǎn)所需的轉(zhuǎn)矩較低即可。由于大多數(shù)電器在較高運(yùn)轉(zhuǎn)速度下不需要滿(mǎn)載轉(zhuǎn)矩，因此磁場(chǎng)削弱可以有效地提高它們的最高速度，從而提高運(yùn)行效率。

最大程度降低噪聲

電器電機(jī)控制的第三大趨勢(shì)是最大程度降低噪聲。您是否厭倦了廚房電器的嗡鳴聲？很多人不想在家里聽(tīng)到電器運(yùn)行的聲音。靜音十分重要，消費(fèi)者愿意為此支付更高的費(fèi)用！

圖1：使用ACIM和PMSM電機(jī)的常見(jiàn)家用電器

電器電機(jī)噪聲的產(chǎn)生有多種原因。電源線中電源電壓的突然下降，以及負(fù)載或轉(zhuǎn)矩需求的突然變化，都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值略微偏離。此外，PWM控制信號(hào)的時(shí)序可能與轉(zhuǎn)子位置不完全一致。這些情況中的任何一種都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子輕微抖動(dòng)并產(chǎn)生可聽(tīng)到的噪聲。

然而，造成電機(jī)噪聲的主要原因是導(dǎo)通和關(guān)斷金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）或絕緣柵雙極晶體管（IGBT），IGBT是一種將功率傳輸?shù)诫姍C(jī)繞組的大晶體管。每次打開(kāi)或關(guān)閉這些晶體管時(shí)，繞組中電流的突然沖擊會(huì)推動(dòng)周?chē)目諝猓ㄅc揚(yáng)聲器的工作方式相同），產(chǎn)生可以聽(tīng)見(jiàn)的聲音或咔嗒聲。把這個(gè)聲音乘以三倍（三個(gè)電機(jī)繞組），每秒鐘重復(fù)數(shù)千次，便會(huì)產(chǎn)生剛好處于人類(lèi)平均聽(tīng)力范圍內(nèi)（20至20 kHz）的電機(jī)嗡鳴聲。

幸運(yùn)的是，我們有降低噪聲的解決方案。這一切都?xì)w結(jié)于成本，但兩個(gè)關(guān)鍵的解決方案是以更高的頻率切換MOSFET并拓寬PWM。

雖然所有的電機(jī)控制算法都可以使用20 kHz或更高的PWM頻率將噪聲保持在人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍之外，但是許多家用電器仍然以更低的頻率（通常在5至8 kHz范圍內(nèi)）來(lái)關(guān)斷和導(dǎo)通它們的電機(jī)控制MOSFET。  這是因?yàn)?，在較慢的速度下，可以低得多的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)集成電源模塊（IPM）（一種包含MOSFET的封裝）。

擴(kuò)頻是另一種技術(shù)，一些設(shè)計(jì)正在使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)進(jìn)一步降低噪聲。為此，使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)改變PWM頻率。這會(huì)使PWM頻率時(shí)高時(shí)低，但平均PWM頻率將保持不變。通過(guò)將這種抖動(dòng)添加到PWM頻率中，噪聲信號(hào)的幅度減小，并可實(shí)現(xiàn)顯著的降噪效果。

先進(jìn)的控制技術(shù)

有一種技術(shù)在各種家電的電機(jī)應(yīng)用中都十分實(shí)用，它涉及到在啟動(dòng)前和極低的轉(zhuǎn)速下掌握電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置。這有兩個(gè)主要原因。第一個(gè)原因是，一些電器不能反向運(yùn)行（例如空調(diào)機(jī)組中的泵和壓縮機(jī)）。如果電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向錯(cuò)誤，即便是微小的轉(zhuǎn)動(dòng)，也可能最終損壞泵并導(dǎo)致其斷裂。第二個(gè)原因是，像鉆孔機(jī)、食品加工器、洗衣機(jī)和風(fēng)扇這樣的電器需要從啟動(dòng)時(shí)就獲得滿(mǎn)載轉(zhuǎn)矩，以便更快地達(dá)到全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

遺憾的是，與FOC一起使用的反饋電路（稱(chēng)為估測(cè)器或觀測(cè)器）不能在零速或低速下工作。FOC稱(chēng)為無(wú)傳感器技術(shù)。這意味著，將沒(méi)有霍爾傳感器、磁位置傳感器或光軸編碼器來(lái)提供轉(zhuǎn)子位置。為了發(fā)揮作用，F(xiàn)OC算法從三個(gè)電機(jī)繞組獲得電流反饋。當(dāng)電機(jī)首次啟動(dòng)時(shí)，速度過(guò)低，反饋電路無(wú)法獲得良好的讀數(shù)，電機(jī)以開(kāi)環(huán)方式運(yùn)行。在電機(jī)達(dá)到足夠的轉(zhuǎn)速（如50 rpm），并且獲得良好的電流反饋后，控制回路閉合，進(jìn)行正常的FOC。

為了能夠在電機(jī)啟動(dòng)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，開(kāi)發(fā)了一種使用高頻注入（HFI）的技術(shù)。在這種技術(shù)中，轉(zhuǎn)子中的三個(gè)繞組通過(guò)高頻PWM信號(hào)逐一通電，并測(cè)量電流反饋信號(hào)。通過(guò)比較這三個(gè)測(cè)量值，可以確定轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，并利用正確的PWM信號(hào)以正確的方向啟動(dòng)泵和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子。這樣做也能更快地加速電機(jī)。

另一項(xiàng)新技術(shù)稱(chēng)為“風(fēng)轉(zhuǎn)”。通過(guò)風(fēng)轉(zhuǎn)，可以重新啟動(dòng)處于滑行狀態(tài)的電機(jī)，以匹配當(dāng)前電機(jī)的位置和速度，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)而不晃動(dòng)的重啟。這樣既有助于降低噪聲，又能提高電機(jī)耐用性。

此外，也可以通過(guò)使用FOC最大程度地提高轉(zhuǎn)矩的方式來(lái)控制電機(jī)。這種技術(shù)稱(chēng)為每安培最大轉(zhuǎn)矩（MTPA），它允許電機(jī)在恒定轉(zhuǎn)矩階段的閉環(huán)轉(zhuǎn)換后加速旋轉(zhuǎn)。利用這種技術(shù)，洗衣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，從衣物中排出更多的水，無(wú)人機(jī)的電機(jī)也可以在不到300 ms內(nèi)從0 rpm加速到30,000 rpm，從而實(shí)現(xiàn)更快的起飛。 

提高安全性

最后一個(gè)趨勢(shì)至關(guān)重要。行業(yè)內(nèi)發(fā)起了一項(xiàng)提高產(chǎn)品功能安全性的運(yùn)動(dòng)。這意味著電氣元件——即控制電器電機(jī)的單片機(jī)（MCU）或數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）需要具有符合行業(yè)規(guī)范的內(nèi)置安全特性。例如，IEC 60730 B類(lèi)安全規(guī)范要求在啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉MCU或DSC的PWM信號(hào)的默認(rèn)狀態(tài)，以防止任何可能導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬態(tài)尖峰電壓。未來(lái)，行業(yè)將為電機(jī)控制設(shè)計(jì)工程師編制一本功能安全手冊(cè)，以幫助他們更好地理解如何使用MCU或DSC電機(jī)控制器件中內(nèi)置的所有安全功能。這種趨勢(shì)將使電機(jī)驅(qū)動(dòng)的家用電器變得更加安全，最終讓所有人受益。