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【基础知识】直流无刷电机控制器节能技术

日期:2017年6月21日 16:50

无论是工业、家庭还是商业用电,电机所消耗的能源都占有很高的比例。如果改善电机系统的输出、输入功率比,就可以提高用电效率。所以各个国家或者地区都针对电机有关产品提出改进计划。

家庭用电大约可分为电源转换输出(灯、电视)及电机驱动(冰箱、洗衣机、冷气、风扇、吸尘器等)这两大类,其中电机驱动所消耗的电力占家庭用电的70%。如果电机效率提升10%,一年约可节省100亿度的电量,相当一座大中型核能发电站所发的电量。若再以全球一年的发电量约为20兆度来计算,可以节省2兆度的用电量。这个惊人的数字等同于两百座中大型核电站的电量。而且在能源法规及环保议题带动下,产业、产品升级已是维持经济持续发展的必要条件。

当今家电产品的驱动电机分为交流电机、直流电机两类;直流电机又分为直流有刷及无刷电机。由于材料科学的进步,直流无刷电机(BLDC  PMSM)的研发及生产近期有相当大的突破。直流无刷电机具有安静、无噪声、免维护保养、寿命长、体积小的特性及优点;尤其是高效输入/输出比,在节能及环保方面均有优异表现。

直流无刷电机在技术层面以及进入门槛的要求都比其他电机(如交流、直流有刷)更高,因此拥有较高的附加值;同时在面临能源短缺及环保要求双重压力下,高效率环保产品自然成了追求的目标,而采用直流无刷电机设计的产品轻松符合以上要求。

直流无刷电机控制驱动上可采用方波驱动(TrapezoidalControl)或磁通正弦PWM驱动两种控制系统算法。其中,磁通正弦驱动备受业界嘱目。

通正弦PWM

仅依靠3个霍尔零件无法顺利产生正弦波相电流控制信号,必须整合高分辨率的位置编码器来辅助霍尔零件,以取得更精确的位置信息,如此方能产生所需的正弦波。但位置编码器的高成本却不是一般应用所能接受的,空间向量调制应运而生。

空间向量调制PWMSVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,用控制器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通,由它们的比较结果决定控制器的开关,形成PWM波形。此法从无刷电机的角度出发,把控制器和电机看作一个整体,以内切多边形逼近圆的方式进行控制,使直流无刷电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通)

具体方法又分为磁通开环方式和磁通闭环方式。磁通开环法用两个非零向量和一个零向量合成一个等效的电压向量,若采样时间足够小,可合成任意电压向量。此法输出电压比正弦波调制时提高15%,谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环方式引入磁通反馈,控制磁通的大小和变化的速度。在比较估算磁通和给定磁通后,根据误差决定产生下一个电压矢量,形成PWM波形。这种方法克服了磁通开环法的不足,解决了直流无刷电机低速时,定子电阻影响大的问题,减小了电机的震动和噪声。

在不同的应用场合及产品中,方波驱动具有低切换损失以及不需要精确的转子反馈等优点。但随之而来的是转矩脉动较大,较适合在大能量输出场合使用。如载具、泵、工具机、工业用风扇及室外型产品。

弦波驱动无刷电机有运转平顺及无震动、无噪声的优势,较适合场合:吸尘器、空调、冰箱、洗衣机、洗碗机、家用风扇等家用产品。

在这个电力缺乏与环保意识抬头的年代,降低核能发电已是所有人共同努力的目标,对于高效能电机驱动的需求也逐渐被社会大众所接受,当然电机控制芯片的设计要求也越来越高。比如,BLDCPMSM电机的无传感器、霍尔传感器以及高阶电机驱动器的无传感器与PFC都是未来的发展趋势。提供完整的设计方案与仿真软件,除了可以简化开发的时程,还能将电机驱动达到最优化的效率,才能有效的缩短产品上市的周期。

[来源:互联网]

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