控制變速驅動器的發展趨勢(圖)
三相交流馬達正成為新型設計的首選,在許多應用領域內,它已經替代了電子控制驅動器。目前,用在變速驅動器中的馬達主要是電刷式馬達和單相交流馬達(ACIM)。在驅動器中,這些馬達的速度是由三端雙向可控硅通過調節傳導角來控制的,但這種技術非常簡單,不能滿足微控制器的特殊要求,而這些驅動器通常都需要8位微控制器。
為了解決這個問題,新一代的變速驅動器設計采用了三相無電刷交流馬達,主要包括三相ACIM和永磁同步馬達。

圖1 FOC系統原理圖
感應還是永磁
所有三相ACIM和永磁同步馬達的定子上都有一個三相繞組,并都帶有三相電源。在ACIM中,轉子磁通是通過磁化定子繞組上的電流而產生的,但會在定子繞組上產生損失。而永磁同步馬達使用永磁體來產生磁通,這比感應馬達更有效。對于不同的額定功率,永磁同步馬達中的總損失只會是感應馬達的50%或60%。不過,永磁同步馬達的主要缺點就是磁性材料帶來的高成本。雖然磁性材料的質量不盡相同,但永磁馬達的總成本將會比感應類型高20%。
永磁同步馬達適合于各種工業、商業和主要變速驅動領域,包括冰箱的壓縮機,汽車通風/空調設備,電子動力方向盤和剎車系統。此外,它還非常適合于洗衣機,因為該馬達體積小,可直接安裝在滾筒上,這就省去了皮帶和皮帶輪,使機器更加簡單和安靜。
高性能的馬達控制要求馬達在其整個速度范圍內能實現平滑旋轉,零速時能實現全扭矩控制,速度轉換快。要達成這樣的目的,用于三相交流馬達的磁場導向控制(FOC)技術就必不可少。使用了FOC,設計者就可以將定子電流分解成磁通和扭矩分量,進而單獨控制它們。這樣,馬達控制器的結構就如同單獨的直流馬達一樣簡單。
為了將電流分解成扭矩和磁通分量,我們需要知道馬達轉子的位置。無傳感器控制方法就是一種,它可用于所有的馬達。其可分成兩類,第一類被稱為“基于馬達模型”的方法,馬達的速度通過基于馬達基本數學模型的靜態觀察器來確定。另一種方法則被稱之為“馬達特性追蹤”法,它能根據測量馬達阻抗的變化來檢測轉子的位置。后一種方法效果好,還能在馬達零速時發揮作用。然而,將其應用在所有馬達上是不現實的。
馬達控制器
用于三相交流馬達的高級控制技術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字信號控制器(DSC)參與其中。
DSC的微控制器式編程模型和優化的指令集(包括了高效的尋址方式)會給設計者提供很多幫助,它們能兼容符合DSP和MCU應用條件的高效壓縮編碼。同時,一套適合各種馬達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控制模塊對有效驅動不同類型的馬達也很關鍵,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,其頻率能達到96MHz。
為了追蹤馬達磁通和轉子的即時位置,還需要對復雜的馬達模型進行估算,并讓其運行大約50μs。在此期間,DCS必須在每一個周期內讀取相電流和電壓。
快速和準確的12位ADC也是必須的,每一個ADC的讀數采樣時間必須要精確。這項任務將交由整合了PWM模塊、時鐘模塊和 ADC模塊的同步系統來完成。
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