无传感器洗衣机电机简化设计
根据电力研究所(EPRI)的数据，风扇、泵、空调、冰箱、洗衣机、电梯、输送机和其他旋转应用中的电机消耗了世界上一半以上的电力。大多数使用浪费的机电驱动，只能打开或关闭电机。
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根据电力研究所(EPRI)的数据，风扇、泵、空调、冰箱、洗衣机、电梯、输送机和其他旋转应用中的电机消耗了世界上一半以上的电力。大多数使用浪费的机电驱动，只能打开或关闭电机。用变速装置取代这些低效的电机，仅在电器应用中就可以减少多达60%的能源浪费。
大多数电器使用通用直流或单相交流感应电动机。速度控制方法相当粗糙，使用开/关或相位角可控硅控制。典型的系统效率最多在50%左右。然而，高效电源开关和先进数字控制器的出现使电机和控制器更加高效。
交流电机的选择
任何交流电机的轴转矩输出取决于定子和转子磁场之间的空间角度。当定子绕组电流的磁化力与转子产生的气隙磁通相互作用时产生转矩。该转矩试图使转子磁链与定子磁场对齐，当定子磁化电流矢量与转子磁链矢量相位差为90度时，转矩达到最大值。在直流电机中，磁体是固定的，但换向器和电刷的开关动作确保电枢[定子]磁化正确对齐。在交流电机中，气隙场旋转，但是，只要定子和转子场的频率同步，仍然产生恒定的扭矩。
交流电机主要有两类;它们是同步和感应或异步。
在同步交流电机中，转子磁场是由转子绕组中的直流电流或永磁体产生的。定子电流必须与转子角度和频率同步，以产生恒定的转矩。
在感应电机中，转子磁场是由定子变压器作用产生的转子电流产生的。定子和转子磁场的频率自动同步。当感应电机停止时，转子绕组耦合的磁通处于定子频率，因此转子电流也处于定子频率。当机器旋转时，转子磁链耦合的频率是定子频率与转子旋转频率之间的差，称为转差频率．当机器以定子频率旋转时，转子磁链恒定，转子无电流感应，输出转矩为零。
更小的速度，更大的扭矩
感应电动机总是以低于定子频率的速度运行。如果负载增加，则速度下降，转差频率增加，产生更大的转子电流，从而产生更大的转矩。
这些电机广泛应用于工业和电器应用，特别是当需要固定速度时。感应电动机的一个显著优点是直接连接到交流线路时能够启动。相比之下，同步电机的开环输出电压必须在幅度和频率上紧密匹配，然后才能连接到交流线路上。大型同步电机通常用于发电，其中多台机器连接到一个公共电网。
在变速应用中，驱动系统电机的选择不太明显。开环(V/Hz)速度控制方法通常用于逆变器驱动的感应电动机。感应电机的闭环控制也可以使用速度传感器，通过改变电机的转矩频率来控制电机产生的转矩。然而，由于无法测量转子电流和转子电路具有较大的时间常数，感应电机的高动态控制是困难的。另一方面，一旦知道转子的角位置，同步电机的高动态转矩控制是相当简单的。
永磁同步电机(PMSM)已在工业伺服应用中应用多年。永磁转子使该电机非常高效，因此它可以提供比类似大小的感应电机更高的连续转矩。然而，轴角必须由位置传感器测量，如霍尔效应传感器或解析器。对转子角位置传感器的这种要求曾经限制了应用于高端工业驱动器，但近年来“无传感器”控制算法的发展在家用电器中的应用越来越多。
压缩机转速控制
永磁同步电机在电器中的第一个应用是压缩机速度控制。传统的空调或制冷压缩机使用感应电机，根据线路频率以固定速度运行。压缩机的尺寸必须满足上电后的最大负载条件，但在正常运行时，压缩机以相当低的占空比循环开启和关闭，以维持设定的温度。但是，在压缩机转速控制的情况下，在正常运行的情况下，可以选择最高效的运行转速。速度控制提高效率30%以上;更高的PM电机效率增加15%以上。如今，在像日本这样对能源成本敏感的市场，压缩机速度控制应用于近90%的空调应用和超过50%的家用冰箱应用。
第一个无传感器控制器对电机绕组使用六步换向序列，并通过监测开路绕组的反向电动势(emf)来估计转子位置。这种方法提供了稳健的速度控制，但不能提供平稳的电机转矩。首先，要使用六步换向提供恒定扭矩，电机应该具有梯形反电动势轮廓，而不是通常的正弦波形状。第二个更大的问题是在换向过程中电流切换到下一个绕组时引入的“转矩故障”。问题在更高的速度恶化，因为电机反电动势有助于电流的衰减在输出绕组，但反对电流上升在进入阶段。
由于电机转矩的谐波含量高，容易激发系统的机械共振频率，因此转矩故障在风机、洗衣机、水泵和空调中产生可听噪声。然而，该控制器实现非常简单，并且仍然用于不需要平滑转矩控制的应用程序。
替代控制
近年来，由于引入了具有成本效益的数字信号处理器(DSP)和基于精简指令集计算机(RISC)的控制器，可以实现更复杂的控制算法，一种替代的无传感器控制方法变得流行起来。
“无电流传感器”控制器允许PMSM以正弦电压和电流波形驱动，并根据测量的电机电流估计转子位置。该算法有效地提供恒定的扭矩，没有与前面描述的六步控制器相关的可听噪声问题。此外，该算法是在一种新的控制硬件架构上实现的，允许有效地实现复杂的控制器，而无需任何软件编码。
目前的无传感器控制器是特定应用集成设计平台的核心。兼容芯片通过解决围绕控制和电力电子元件的额外集成挑战，完成了平台方法。其中包括三相逆变驱动器集成电路(IC)和连接数字控制IC和功率级的高压电流传感IC。
没有传统软件
目前的无传感器算法是基于“永磁同步电机等效电路”图中所示的简单永磁同步电机模型。电机绕组的反电动势是转子角度的正弦函数，因此可以测量转子角度。反电动势是通过测量流入定子绕组的电流来计算施加的定子电压。为了简化数学计算，使用克拉克变换将三相电路转换为两相等效模型。转子反电动势由“转子角度和等效电路”图形中所示的正弦和余弦函数方程表示。
为了提取转子角度，反电动势项被集成来计算转子磁链函数，这是现在独立于速度。最后，正弦和余弦磁通量项的比值与磁通量大小无关，因此可以用来准确估计转子角度和转速。
角度估计器是控制算法的关键，但要完成“PMSM无传感器FOC系统”图形中框图所描述的控制系统，还需要许多其他功能。控制器由一个产生转矩参考的外部速度环和一个控制施加到绕组上的电压的内部定子电流环组成。定子电流控制环采用磁场定向控制(FOC)技术，在旋转参考系中实现。矢量旋转作为转子角度的函数将定子电流转换为两个准直流分量，ID和IQ。
IQ电流是与转子磁链正交的分量，是产生转矩的电流。IQ参考输入来自速度回路输出。ID电流与转子磁链对齐，可以支持或反对转子磁链。在大多数速度范围内，ID设定值为零。然而，如果需要一个扩展的恒定功率速度范围，可以设置ID来削弱转子磁链。这在需要非常高转速的洗衣机等应用中非常有用。
在新的控制器结构上实现了无传感器磁场定向控制算法。“PMSM无传感器FOC系统”图中控制系统的各个功能都是采用硬件宏块而不是软件来实现的。PI控制器、矢量旋转器和克拉克变换等功能是所有交流电机控制系统的通用功能。交流电机控制和其他通用编码的图形“函数块库”显示了一种从开发过程中消除传统软件编程、节省时间和减少错误的方法。
该库可用于电机控制IC，还包括模拟输入和空间矢量PWM控制功能。控制系统开发人员使用图形化工具将组件从库中提取到控制系统设计中。然后，图形编译器将控制设计转换为排序指令，以正确的顺序连接硬件宏块以实现控制系统。
控制器的选择
准确的滚筒速度控制对于控制前装式和上装式洗衣机的洗涤动作非常重要。在欧洲使用多年的前装式机器在北美越来越受欢迎。顶装式机器要求衣服完全浸入水中;但前装式洗衣机的翻滚动作只需要水填满滚筒底部。显著的节水节约了大量的热水能源。
在前置式洗衣机中，滚筒速度决定洗涤动作。根据滚筒半径的不同，超过一定速度的旋转会使衣服压在滚筒上。在这个速度下，离心力平衡了衣服的重量。低于这个速度时，衣服会粘在滚筒的一侧，直到沿半径的重量超过离心力为止。
这时，衣服就会掉回滚筒的底部。滚筒的速度决定了衣物的洗涤强度，因此对于精致的衣物，可以选择温和的洗涤周期。在顶装式机器中，搅拌作用是机械产生的，使用齿轮箱和离合器。速度控制系统简化了机械系统和控制洗涤周期。对速度和冲程角度的控制可以更好地管理洗涤动作，并使用更少的水开发洗涤周期。
前面描述的几种电机速度控制选项可用于洗衣机应用。欧洲前置式洗衣机不使用交流电机，通常使用通用的“刷式”电机。然而，美国洗衣机使用的滚筒尺寸更大，这就需要一个功率范围在一个电机以上的电机。
目前正在使用三相感应电机，但最近PMSM正在成为首选的解决方案。感应电机磁场由电流提供，必须由定子磁化电流产生。铜的总损耗是PM电机损耗的两倍以上;产生转矩的电流在转子和定子绕组中流动。由于永磁同步电动机比感应电动机效率更高，它可以比具有相同额定值的感应电动机使用更少的钢和铜。
近年来，铜和钢的价格几乎翻了一番，而磁性材料的成本下降了，从而以更低的成本实现了更高的效率。一些家电制造商正在将PMSM解决方案引入顶部和前加载机器;有的利用软件库和集成电路开发控制器。
综合设计
集成设计平台有助于简化设计过程，降低先进节能电器电机驱动应用的成本。它使用无传感器控制器IC，具有执行闭环无传感器正弦控制所需的所有控制元素，无需冗长且容易出错的其他类型DSP或微控制器的软件编程。
| 作者信息 |
| Aengus Murray，国际整流器公司数字控制IC中心技术营销总监， |
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