基于DSP智能電機(jī)控制提高能量效率

目前，工業(yè)用電的三分之二為電機(jī)所消耗，而在居民用電中這一比例亦高達(dá)四分之一，有鑒于此，電機(jī)的效率問題繼續(xù)受到更大的關(guān)注。標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)應(yīng)用完全能以更高的能量效率運(yùn)行，就電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換而言，大多數(shù)電機(jī)的效率較低。這意味著它們浪費(fèi)了大量的能量，以發(fā)熱的形式散失掉，而未能變換為有用的機(jī)械能。
此外，既然一個(gè)未受控制的電機(jī)必須克服瞬態(tài)機(jī)械負(fù)載的影響，設(shè)計(jì)者除了加大電機(jī)尺寸外很難作出其它的選擇，而一個(gè)尺寸過大的AC感應(yīng)電機(jī)(最常用的電機(jī)類型)，其效率必然更低，因?yàn)殡姍C(jī)是在小于其設(shè)計(jì)負(fù)載的條件下工作。

提高電機(jī)的效率
這些問題可以通過智能控制來克服，智能控制可以從兩個(gè)方面大大提高電機(jī)的效率。首先，智能控制采用了先進(jìn)的算法來提高電機(jī)的運(yùn)行性能。最常見的方法是對(duì)AC感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行矢量控制，可以讓電機(jī)采用合理的尺寸，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的效率。此外，速度可調(diào)也使系統(tǒng)能以更高的效率運(yùn)行。例如，一個(gè)矢量控制的可調(diào)速驅(qū)動(dòng)可避免使用傳動(dòng)，從而減少系統(tǒng)機(jī)械部件帶來的能量損耗。

其次，由于系統(tǒng)采用智能控制，就有可能將現(xiàn)有的電機(jī)更換為效率更高的電機(jī)。在電器中逐步采用永磁電機(jī)就是這一發(fā)展趨勢(shì)的體現(xiàn)。

永磁同步電機(jī)從本質(zhì)上來說比AC感應(yīng)電機(jī)的效率更高，因?yàn)樗鼈儧]有后者與感應(yīng)轉(zhuǎn)子電流相關(guān)的傳導(dǎo)損耗，它們還具有更優(yōu)良的機(jī)械特性，如力矩紋波更低、運(yùn)行更加安靜，而且在產(chǎn)生同樣的機(jī)械功率輸出時(shí)，它們的體積更小。開關(guān)磁阻電機(jī)在一個(gè)固定或者中度變速的應(yīng)用中也可以表現(xiàn)出極高的效率，而這些應(yīng)用需要DSP控制器才具備精確、復(fù)雜控制能力。

所有這些解決方案都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們利用了密集的數(shù)值計(jì)算來提高系統(tǒng)的性能。矢量控制算法需要先對(duì)轉(zhuǎn)子磁通量的方位進(jìn)行測(cè)量或者預(yù)測(cè)，然后對(duì)一個(gè)多相繞組產(chǎn)生的定子通量位置進(jìn)行優(yōu)化，在給定的通量結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生最大的力矩。對(duì)于一臺(tái)永磁電機(jī)而言，定子通量需要隔開90度(電角度)，這是產(chǎn)生力矩的最佳方式。因?yàn)樗a(chǎn)生的力矩直接與兩個(gè)通量間夾角的正弦成正比(在AC感應(yīng)電機(jī)中，由于通量磁化分量的緣故，通量間的關(guān)系更為復(fù)雜，但基本原理是相同的)。

智能控制的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的智能控制時(shí)，面對(duì)的挑戰(zhàn)就在于涉及的算法在數(shù)學(xué)上的復(fù)雜性，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)微控制器(MCU)不能以實(shí)時(shí)方式處理如此復(fù)雜的計(jì)算。然而新一代廉價(jià)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制器提供了智能控制所需的計(jì)算能力，以及片上系統(tǒng)(SOC)集成方式和有助于簡(jiǎn)化電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)支持。

運(yùn)行智能控制軟件的DSP控制器使得應(yīng)用能夠以尺寸更小或效率更高的電機(jī)來應(yīng)對(duì)負(fù)載的變化，減小成本、空間占用和冷卻方面的要求。尺寸更小的電機(jī)，其售價(jià)也更低，而且由于功率電子線路需要承受的電流也低，故這部分線路的成本得以縮減?；贒SP控制器的智能控制，具備經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，而汽車、工業(yè)設(shè)備、家用電器、加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)及多種其它電機(jī)應(yīng)用都將從中獲益。

先進(jìn)控制能為最終設(shè)備作些什么？

除了能讓電機(jī)運(yùn)行效率提高外，先進(jìn)的控制技術(shù)還能讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者進(jìn)行革新、改進(jìn)系統(tǒng)并降低成本。在復(fù)雜的電機(jī)應(yīng)用中，對(duì)嵌入式智能控制的需求是顯而易見的。例如，組裝流水線上的定位伺服電機(jī)必須能適應(yīng)皮帶摩擦力、負(fù)載重量及其他因素的變化。用于HVAC系統(tǒng)中提供恒定氣流的風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，必須不斷得到調(diào)整，以補(bǔ)償門禁開啟、關(guān)閉所帶來的壓力變化。

從本質(zhì)來說，智能電機(jī)控制需要對(duì)轉(zhuǎn)子的磁通位置和速度進(jìn)行即時(shí)計(jì)算，以便對(duì)流經(jīng)電機(jī)繞組的電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保較低的力矩波動(dòng)。但是，雖然智能電機(jī)控制設(shè)計(jì)的基本要求是轉(zhuǎn)子的定位和速度，但并不局限于此，其他的挑戰(zhàn)包括：為消除電源的瞬態(tài)尖峰而提供的功率因數(shù)修正(PFC)、力矩紋波效應(yīng)的消除以及對(duì)電磁兼容性規(guī)范的遵守。

用智能控制進(jìn)行設(shè)計(jì)

微控制器缺乏至關(guān)重要的數(shù)值處理能力，故此就系統(tǒng)成本和性能而言，對(duì)智能控制來說是一種效率較低、經(jīng)濟(jì)性較差的解決方案。高性能DSP控制器可以實(shí)時(shí)完成轉(zhuǎn)子定位和速度計(jì)算，而無需進(jìn)行查表操作。由于DSP控制器可以從內(nèi)部在線傳感器提供的電壓、電流反饋中計(jì)算出這些矢量，故沒有必要采用外部的傳感器。DSP控制器的處理能力使得面向現(xiàn)場(chǎng)的控制(field-oriented control，F(xiàn)OC)成為可能，讓定子的磁場(chǎng)正交于轉(zhuǎn)子的磁通量，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良的機(jī)器。連同反饋在內(nèi)的整個(gè)32bit FOC算法循環(huán)可以在10ms內(nèi)完成，為通量估算器、PFC和其它算法處理留下了充裕的時(shí)間。此外，基于同一種DSP控制器平臺(tái)的其它產(chǎn)品可以復(fù)用這些算法，從而降低了開發(fā)成本、縮短了新電機(jī)推向市場(chǎng)的時(shí)間。

高水平集成、開發(fā)支持

新一代DSP控制器提供了外圍集成，與那些基于MCU的產(chǎn)品相比使用更為方便。實(shí)例之一是TI公司的150MIPS TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理(見圖1)，它采用了一個(gè)單循環(huán)32bit多重累加(MAC)數(shù)據(jù)通路或者雙16bit MAC，將DSP所能保證的性能和精度與高端MCU的靈活性結(jié)合起來。快速中斷處理能力，再加上用于普通控制的操作代碼(如位操作和分支)，使得該器件適用于多用途、多任務(wù)環(huán)境。片上的功能模塊包括：閃存器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制輸出和CAN總線支持等。

DSP的軟件開發(fā)支持是由集成化的開發(fā)環(huán)境(IDE)保證的。效率極高的C編譯器使得開發(fā)者可以生成幾乎和匯編一樣緊湊的目標(biāo)代碼，經(jīng)過快速的學(xué)習(xí)曲線后可以實(shí)現(xiàn)出色的性能。IQMath等工具給編程者提供了一種自動(dòng)的在線代碼編輯器和一個(gè)用于浮點(diǎn)函數(shù)的庫(kù)，簡(jiǎn)化了控制算法中實(shí)運(yùn)算功能的使用。為了實(shí)現(xiàn)更快速的開發(fā)，廠商和第三方提供了現(xiàn)成的電機(jī)控制模塊。

結(jié)語

單片式DSP控制器解決方案，包括易用的軟件，使得制造商能以最小的開發(fā)投資實(shí)現(xiàn)智能控制功能的嵌入。因此，設(shè)備制造商和最終用戶可采用合適尺寸的電機(jī)，成本更低、功耗更小、可靠性更高。高性能可編程DSP控制器所實(shí)現(xiàn)的智能控制技術(shù)，將為電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供開發(fā)新一代環(huán)境友好“綠色”電機(jī)所需的方法。