能效已成為衡量家用電器性能的一個(gè)重要參數(shù)，例如冰箱和洗衣機(jī)，以及建筑使用的電氣系統(tǒng)如空調(diào)壓縮機(jī)等。然而，傳統(tǒng)上使用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通常運(yùn)行于由電網(wǎng)頻率決定的某個(gè)固定速度上，比如說(shuō)，為了保持一定的溫度，只是簡(jiǎn)單的在開(kāi)與關(guān)兩個(gè)狀態(tài)之間切換。這就導(dǎo)致了效率低下，并且往往選擇的電機(jī)比實(shí)現(xiàn)同樣目的所必需的電機(jī)體積更大、更重，也更昂貴。 [ALIGN=CENTER] 圖1：永磁同步電機(jī)（PMSM）等效電路 [/ALIGN] 然而，對(duì)電機(jī)進(jìn)行變速控制，可在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下選擇效率最高的運(yùn)行速度。由于僅僅使用速度控制就可提高效率30%以上，設(shè)計(jì)工程師已熱衷于在下一代家電產(chǎn)品中使用變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 　　 速度控制的挑戰(zhàn) 　　 對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的高性能變頻控制是有一定技術(shù)難度的。雖然已有多種開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的控制技術(shù)，但對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行高動(dòng)態(tài)控制仍是非常困難的，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流無(wú)法測(cè)量，而且轉(zhuǎn)子電路時(shí)間常數(shù)很大且不固定。 　　 與此相對(duì)的是，一旦知道了轉(zhuǎn)子位置，對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制則變得相當(dāng)直接和容易實(shí)現(xiàn)。永磁同步電機(jī)（PMSM）的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與同體積的感應(yīng)電機(jī)相比，前者可獲得一個(gè)很高的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。這是因?yàn)橛来烹姍C(jī)不需要轉(zhuǎn)子電流，具有比感應(yīng)電機(jī)效率更高的內(nèi)在優(yōu)點(diǎn)。 但是，為測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置角，設(shè)計(jì)者需要增加一個(gè)昂貴的旋變或者霍爾傳感器以測(cè)量軸的位置。過(guò)去，這些因素使變速驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的使用局限于高端的工業(yè)設(shè)備。直到最近，“無(wú)位置傳感器”控制使得變速驅(qū)動(dòng)更加經(jīng)濟(jì)因而可以應(yīng)用在家用電器當(dāng)中。 　　 最早的無(wú)位置傳感器控制對(duì)電機(jī)繞組使用六步換向程序，通過(guò)檢測(cè)開(kāi)環(huán)繞組的反電動(dòng)勢(shì)估算轉(zhuǎn)子位置。這種方法可以實(shí)現(xiàn)魯棒的速度控制，但不能保證平滑的轉(zhuǎn)矩。首先，采用六步換向方法時(shí)，要想獲得平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)應(yīng)具有梯形的反電動(dòng)勢(shì)，而不是通常的正弦波。其次，更大的問(wèn)題在于，當(dāng)電流在換向過(guò)程中切換入相隔的繞組時(shí)，會(huì)引入轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題在高速時(shí)尤為嚴(yán)重，因?yàn)殡姍C(jī)的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)延緩流出繞組的電流下降速度，并抑制流入繞組的電流快速升高。轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)可在風(fēng)扇、洗衣機(jī)、水泵及空調(diào)設(shè)備中產(chǎn)生明顯的噪聲， 因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)矩中的高次諧波容易引起系統(tǒng)的機(jī)械共振。盡管如此，這種控制器由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，仍可在不需要平滑轉(zhuǎn)矩控制的場(chǎng)合使用。 　　 改進(jìn)的無(wú)位置傳感器算法 　　 另外一種無(wú)位置傳感器控制方案在近些年較受歡迎，這緣于高性能的DSP和基于RISC控制器的持續(xù)降價(jià)，使得更加復(fù)雜的控制算法得以實(shí)現(xiàn)。采用“電流型無(wú)傳感器”控制器使得永磁同步電機(jī)可由正弦電流和電壓驅(qū)動(dòng)，并基于測(cè)得的電機(jī)電流估算轉(zhuǎn)子位置。六步換向控制器方法帶來(lái)的音頻噪聲得到消除，同時(shí)該算法有效獲得了平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。 我們以International Rectifier （IR，國(guó)際整流器公司）采用的轉(zhuǎn)子位置估算算法為例，該算法基于圖1中所示的永磁同步電機(jī)的簡(jiǎn)易模型。這個(gè)算法應(yīng)用了電機(jī)繞組反電動(dòng)勢(shì)為轉(zhuǎn)子角度的正弦函數(shù)這個(gè)原理。圖1所示模型中，首先測(cè)量定子電壓下流入定子線(xiàn)圈的電流，并計(jì)算出反電動(dòng)勢(shì)。為提取出轉(zhuǎn)子角度，將這些反電動(dòng)勢(shì)項(xiàng)積分計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈，這是一個(gè)獨(dú)立于轉(zhuǎn)速的函數(shù)，進(jìn)而精確地估算出轉(zhuǎn)子的角度。 　　 采用DSP或RISC實(shí)現(xiàn)這種算法的缺點(diǎn)，是需要進(jìn)行冗長(zhǎng)且容易出錯(cuò)的編程，這樣就使驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)小組增加了軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)，導(dǎo)致項(xiàng)目復(fù)雜化，需要額外且代價(jià)高昂的工程技巧和經(jīng)驗(yàn)。 　　 算法的硬件移植 　　 為減少編程的時(shí)間和成本，IR已經(jīng)將它的算法硬件化，作為專(zhuān)用芯片組的一部分。該芯片組分別集成了一個(gè)可工作的完整PMSM調(diào)速驅(qū)動(dòng)器所需的周邊控制和功率半導(dǎo)體器件，還包含了三相逆變器驅(qū)動(dòng)IC和高電壓電流傳感IC，以提供數(shù)字控制IC和功率部分之間的必要鏈接。 　　 由于取消了軟件代碼的工作量，這種基于硬件的方案可使變速驅(qū)動(dòng)器占領(lǐng)中低端家電市場(chǎng)。 　　 可定制的硬件平臺(tái) 　　 IR的角度估算技術(shù)是控制算法的關(guān)鍵，但要實(shí)現(xiàn)圖2框圖中所示的控制系統(tǒng)還需要很多其他技術(shù)。該控制器包括一個(gè)提供參考轉(zhuǎn)矩的外部速度環(huán)和一個(gè)控制繞組電壓的內(nèi)部電流環(huán)。這個(gè)定子電流環(huán)使用磁場(chǎng)定向控制技術(shù)（FOC）在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)。 　　 一個(gè)隨著轉(zhuǎn)子角度變化而變化的旋轉(zhuǎn)矢量可將定子電流變換為兩個(gè)正交的直流分量ID 和IQ。IQ電流是正交于轉(zhuǎn)子磁通的分量，也是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量。IQ的參考輸入值取自速度環(huán)的輸出。ID電流方向平行于轉(zhuǎn)子磁通，是加強(qiáng)或抑止轉(zhuǎn)子磁通的電流。在大多數(shù)速度范圍內(nèi)通常將ID設(shè)定為零，但是，如果需要擴(kuò)展到恒功率速度范圍，則可以調(diào)整ID以削弱轉(zhuǎn)子磁通（弱磁運(yùn)行）。 　　 IR的運(yùn)動(dòng)控制引擎（ＭＣＥ），如圖３，將這些算法集成進(jìn)一個(gè)單片IC。片上集成了一個(gè)交流電機(jī)控制庫(kù)以及其他一些通用的組件，包括模擬量輸入和空間矢量ＰＷＭ控制，便于進(jìn)行快速和直接的配置。這樣，控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員可使用圖形化的工具從庫(kù)中拉出合適的組件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)圖形編譯器將系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制引擎的一系列指令，以正確的順序聯(lián)結(jié)各個(gè)硬件宏模塊，以實(shí)現(xiàn)某個(gè)控制算法。 　　 總結(jié) 　　 將系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制引擎的一系列指令，以正確的順序聯(lián)結(jié)各個(gè)硬件宏模塊，以實(shí)現(xiàn)某個(gè)控制算法。 　　總結(jié) 　　取消恒速感應(yīng)電機(jī)而使用更小、更便宜的永磁同步電機(jī)，以更加有效、更加有利于環(huán)境的方式實(shí)現(xiàn)變速，這個(gè)前景使工程師們看到了巨大的機(jī)會(huì)。無(wú)位置傳感器的控制算法提供了一個(gè)低硬件成本的上乘的解決方案，但該算法一般要在DSP或RISC上面運(yùn)行，對(duì)開(kāi)發(fā)者而言需要掌握相當(dāng)全面的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)。 　　一種基于專(zhuān)用的無(wú)位置傳感器控制器IC并集成了運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE）的新設(shè)計(jì)平臺(tái)可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者的需求。MCE包含了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)無(wú)位置傳感器正弦控制所需的所有控制元件，這使得設(shè)計(jì)師可以采用最先進(jìn)的技術(shù)，來(lái)滿(mǎn)足法規(guī)和消費(fèi)者對(duì)下一代風(fēng)扇、水泵、空調(diào)和家用電器提出的更高效率的要求。 取消恒速感應(yīng)電機(jī)而使用更小、更便宜的永磁同步電機(jī)，以更加有效、更加有利于環(huán)境的方式實(shí)現(xiàn)變速，這個(gè)前景使工程師們看到了巨大的機(jī)會(huì)。無(wú)位置傳感器的控制算法提供了一個(gè)低硬件成本的上乘的解決方案，但該算法一般要在DSP或RISC上面運(yùn)行，對(duì)開(kāi)發(fā)者而言需要掌握相當(dāng)全面的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)。 　　 將系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制引擎的一系列指令，以正確的順序聯(lián)結(jié)各個(gè)硬件宏模塊，以實(shí)現(xiàn)某個(gè)控制算法。 　　總結(jié) 　　取消恒速感應(yīng)電機(jī)而使用更小、更便宜的永磁同步電機(jī)，以更加有效、更加有利于環(huán)境的方式實(shí)現(xiàn)變速，這個(gè)前景使工程師們看到了巨大的機(jī)會(huì)。無(wú)位置傳感器的控制算法提供了一個(gè)低硬件成本的上乘的解決方案，但該算法一般要在DSP或RISC上面運(yùn)行，對(duì)開(kāi)發(fā)者而言需要掌握相當(dāng)全面的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)。 　　一種基于專(zhuān)用的無(wú)位置傳感器控制器IC并集成了運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE）的新設(shè)計(jì)平臺(tái)可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者的需求。MCE包含了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)無(wú)位置傳感器正弦控制所需的所有控制元件，這使得設(shè)計(jì)師可以采用最先進(jìn)的技術(shù)，來(lái)滿(mǎn)足法規(guī)和消費(fèi)者對(duì)下一代風(fēng)扇、水泵、空調(diào)和家用電器提出的更高效率的要求。 一種基于專(zhuān)用的無(wú)位置傳感器控制器IC并集成了運(yùn)動(dòng)控制引擎（MCE）的新設(shè)計(jì)平臺(tái)可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者的需求。MCE包含了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)無(wú)位置傳感器正弦控制所需的所有控制元件，這使得設(shè)計(jì)師可以采用最先進(jìn)的技術(shù)，來(lái)滿(mǎn)足法規(guī)和消費(fèi)者對(duì)下一代風(fēng)扇、水泵、空調(diào)和家用電器提出的更高效率的要求。