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技術(shù)頻道

控制變速驅(qū)動器的發(fā)展趨勢(圖)


  三相交流馬達(dá)正成為新型設(shè)計(jì)的首選,在許多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi),它已經(jīng)替代了電子控制驅(qū)動器。目前,用在變速驅(qū)動器中的馬達(dá)主要是電刷式馬達(dá)和單相交流馬達(dá)(ACIM)。在驅(qū)動器中,這些馬達(dá)的速度是由三端雙向可控硅通過調(diào)節(jié)傳導(dǎo)角來控制的,但這種技術(shù)非常簡單,不能滿足微控制器的特殊要求,而這些驅(qū)動器通常都需要8位微控制器。
  為了解決這個問題,新一代的變速驅(qū)動器設(shè)計(jì)采用了三相無電刷交流馬達(dá),主要包括三相ACIM和永磁同步馬達(dá)。

圖1 FOC系統(tǒng)原理圖
感應(yīng)還是永磁
  所有三相ACIM和永磁同步馬達(dá)的定子上都有一個三相繞組,并都帶有三相電源。在ACIM中,轉(zhuǎn)子磁通是通過磁化定子繞組上的電流而產(chǎn)生的,但會在定子繞組上產(chǎn)生損失。而永磁同步馬達(dá)使用永磁體來產(chǎn)生磁通,這比感應(yīng)馬達(dá)更有效。對于不同的額定功率,永磁同步馬達(dá)中的總損失只會是感應(yīng)馬達(dá)的50%或60%。不過,永磁同步馬達(dá)的主要缺點(diǎn)就是磁性材料帶來的高成本。雖然磁性材料的質(zhì)量不盡相同,但永磁馬達(dá)的總成本將會比感應(yīng)類型高20%。
  永磁同步馬達(dá)適合于各種工業(yè)、商業(yè)和主要變速驅(qū)動領(lǐng)域,包括冰箱的壓縮機(jī),汽車通風(fēng)/空調(diào)設(shè)備,電子動力方向盤和剎車系統(tǒng)。此外,它還非常適合于洗衣機(jī),因?yàn)樵擇R達(dá)體積小,可直接安裝在滾筒上,這就省去了皮帶和皮帶輪,使機(jī)器更加簡單和安靜。
  高性能的馬達(dá)控制要求馬達(dá)在其整個速度范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)平滑旋轉(zhuǎn),零速時能實(shí)現(xiàn)全扭矩控制,速度轉(zhuǎn)換快。要達(dá)成這樣的目的,用于三相交流馬達(dá)的磁場導(dǎo)向控制(FOC)技術(shù)就必不可少。使用了FOC,設(shè)計(jì)者就可以將定子電流分解成磁通和扭矩分量,進(jìn)而單獨(dú)控制它們。這樣,馬達(dá)控制器的結(jié)構(gòu)就如同單獨(dú)的直流馬達(dá)一樣簡單。
  為了將電流分解成扭矩和磁通分量,我們需要知道馬達(dá)轉(zhuǎn)子的位置。無傳感器控制方法就是一種,它可用于所有的馬達(dá)。其可分成兩類,第一類被稱為“基于馬達(dá)模型”的方法,馬達(dá)的速度通過基于馬達(dá)基本數(shù)學(xué)模型的靜態(tài)觀察器來確定。另一種方法則被稱之為“馬達(dá)特性追蹤”法,它能根據(jù)測量馬達(dá)阻抗的變化來檢測轉(zhuǎn)子的位置。后一種方法效果好,還能在馬達(dá)零速時發(fā)揮作用。然而,將其應(yīng)用在所有馬達(dá)上是不現(xiàn)實(shí)的。
馬達(dá)控制器
  用于三相交流馬達(dá)的高級控制技術(shù)需要高級的處理能力,因此需要綜合DSP處理能力和單芯片的微控制器功能的數(shù)字信號控制器(DSC)參與其中。
  DSC的微控制器式編程模型和優(yōu)化的指令集(包括了高效的尋址方式)會給設(shè)計(jì)者提供很多幫助,它們能兼容符合DSP和MCU應(yīng)用條件的高效壓縮編碼。同時,一套適合各種馬達(dá)控制器的指令集也給DSC的高級處理能力提供了有力的支持。此外,DSC的高性能PWM控制模塊對有效驅(qū)動不同類型的馬達(dá)也很關(guān)鍵,它能為與12位ADC的同步提供參考輸出。這種DSC還有一個16位4定時器模塊組,其頻率能達(dá)到96MHz。
  為了追蹤馬達(dá)磁通和轉(zhuǎn)子的即時位置,還需要對復(fù)雜的馬達(dá)模型進(jìn)行估算,并讓其運(yùn)行大約50μs。在此期間,DCS必須在每一個周期內(nèi)讀取相電流和電壓。
  快速和準(zhǔn)確的12位ADC也是必須的,每一個ADC的讀數(shù)采樣時間必須要精確。這項(xiàng)任務(wù)將交由整合了PWM模塊、時鐘模塊和 ADC模塊的同步系統(tǒng)來完成。





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