高成本效益的AC感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差控制優(yōu)化方案

　　隨著AC感應(yīng)電機(jī)成為工業(yè)電機(jī)的首選，全方位降低設(shè)計(jì)功耗的需求不斷涌現(xiàn)，因此提高這些電機(jī)的效率變得非常重要。在AC感應(yīng)電機(jī)中，獲得所需轉(zhuǎn)矩和效率性能的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)差控制機(jī)制的優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差優(yōu)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(yùn)行相當(dāng)復(fù)雜的軟件程序以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作。在基于軟件的系統(tǒng)中，處理器帶寬和計(jì)算時(shí)間大大限制了響應(yīng)能力，因而也限制了這些解決方案的功效。若采用功能較強(qiáng)大的處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖能夠加快處理速度，提高功效，但卻又會(huì)產(chǎn)生額外的成本。

　　直接在 FPGA 邏輯門中實(shí)現(xiàn)控制算法是一種高成本效益的替代方案，I/O響應(yīng)的速度更快。設(shè)計(jì)人員可以獲取設(shè)計(jì)所需的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)，而且采用可重編程FPGA，系統(tǒng)可以隨技術(shù)的改進(jìn)而升級(jí)。不過(guò)，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(hào)FPGA帶有嵌入式非易失性存儲(chǔ)器和軟或硬處理器內(nèi)核，為緊密控制回路和加快轉(zhuǎn)差控制處理提供了理想的解決方案，從而提高了AC感應(yīng)電機(jī)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(gè)可重編程芯片中，因此這種解決方案較傳統(tǒng)解決方案更精確、更高效，而成本也更低。

　　AC感應(yīng)電機(jī)的基本原理

　　在AC感應(yīng)電機(jī)中，籠條 (cage) 或靜態(tài)部件 (定子, stator ) 上的三相電能通過(guò)電磁感應(yīng)被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)部件 (轉(zhuǎn)子, rotor) 上的機(jī)械能。轉(zhuǎn)子是沒(méi)有直接供電的，轉(zhuǎn)子上的電流由定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所感應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，并與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。所謂的轉(zhuǎn)差 (slip)，就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的速度之間的比值。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度幾乎達(dá)到定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，感應(yīng)電機(jī)的效率最高，這時(shí)的轉(zhuǎn)差接近零。不過(guò)，在負(fù)載較大的情況下，為提高轉(zhuǎn)矩，最好選擇較大的轉(zhuǎn)差，如圖1所示。最優(yōu)化轉(zhuǎn)差控制采用了多種算法，以便及時(shí)在最高效率或最大轉(zhuǎn)矩之間找到最佳平衡點(diǎn)。圖1給出了效率/轉(zhuǎn)差曲線及轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)差曲線。

　　轉(zhuǎn)差計(jì)算

　　三相AC電機(jī)是針對(duì)AC電源工作而設(shè)計(jì)的，具有固定的電壓和頻率。電機(jī)的電源頻率和磁極數(shù)目決定了AC電機(jī)的同步速度 (旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度)。

　　如果感應(yīng)電機(jī)的電源頻率為

　　f = p*n/2

　　這里f是電源頻率，P是磁極對(duì)數(shù)，n是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，那么感應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度便是：

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

　　而轉(zhuǎn)子速度為：

　　r = n(1-S)

　　這里 “S” 就是轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差是一個(gè)比值，沒(méi)有單位。

　　轉(zhuǎn)差S = n-r/n

　　轉(zhuǎn)差頻率為電源頻率，用以維持所需轉(zhuǎn)差值。

　　例如，一個(gè)由 60 MHz AC 線供電的四極電機(jī)的同步速度為120*60/4=1800rpm。然而，電機(jī)的負(fù)載水平不可能是固定不變的，負(fù)載決定電機(jī)的轉(zhuǎn)差和電機(jī)軸的實(shí)際速度。其中，轉(zhuǎn)差對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及工作的影響相當(dāng)大。在控制算法中，轉(zhuǎn)差控制是決定電機(jī)效率及性能的關(guān)鍵因素。

　　在AC電機(jī)控制中，高效轉(zhuǎn)差控制方法的選擇極為重要，對(duì)于需要重負(fù)載運(yùn)作的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤其如此。