生活中點擊無處不在，為我們的生產(chǎn)生活帶來動力，許多家用電器都包括一個或多個對其功能至關(guān)重要的電機。在不斷提高市場份額的斗爭中，新產(chǎn)品設(shè)計力求使其產(chǎn)品在競爭中脫穎而出。本文將探討五個主要趨勢，這些趨勢塑造了電器電機控制的未來，電器電機控制適用于從HVAC系統(tǒng)到食品加工的所有領(lǐng)域。
能效
最大限度地降低電機和壓縮機的功耗仍然是電器設(shè)計的大趨勢之一。在很大程度上，美國環(huán)境保護局(EPA)家用電器能源之星計劃推動著這一進程。這項計劃會對產(chǎn)品進行評級并提供相應(yīng)的標簽，顯示運行該設(shè)備所需的全年電量(kWh)。更高效的產(chǎn)品將獲得能源之星評級，而這是許多消費者眼中的必備家電屬性。許多其他國家/地區(qū)的政府提供類似的評級系統(tǒng)。
低端設(shè)備通常使用交流感應(yīng)電機(ACIM)。使用變頻驅(qū)動器(VFD)可以相對簡單地控制這些電機。在這種技術(shù)中，三相正弦波形為電動機的繞組供電。電機的控制通過改變脈寬調(diào)制(PWM)占空比來實現(xiàn)，PWM占空比通過其變化率來設(shè)置電壓和頻率。
對于VFD，只要負載不變，即可通過使電壓與頻率之比保持恒定來提供恒定的轉(zhuǎn)矩。遺憾的是，裝備有VFD的ACIM對變化的負載或速度請求的反應(yīng)緩慢，這降低了它的效率。例如，洗衣機通常使用ACIM，并且ACIM對可變負載的變化反應(yīng)不佳。當濕衣服在滾筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)，或者在攪拌期間滾筒旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化時，就會發(fā)生這種情況。
提高效率的最直接方法是改變運行設(shè)備的電機類型。高端設(shè)備已經(jīng)開始采用一種新型電機，稱為永磁同步電機(PMSM)。由于設(shè)計原因，這種電機提供了更好的控制，但制造成本也更高。
PMSM的效率更高，因為它們在轉(zhuǎn)子中使用永磁體，而感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子使用的繞線線圈需要額外的能量來維持磁場。PMSM設(shè)計的優(yōu)點是可以使用一種稱為磁場定向控制(FOC)的改進控制算法，這種算法可以在更寬的負載或速度范圍內(nèi)非常精確地控制電機使用的能量。使用數(shù)字信號控制器(DSC)來控制PMSM(例如Microchip的dsPIC33EV系列)，可以幫助提高這些電機的能效并實現(xiàn)無噪聲運行。
此外，使用具有FOC的PMSM可以節(jié)省大量能源。例如，冰箱的壓縮機是一種專門設(shè)計的電機，通過將控制范圍擴展到非常低的速度(如800 rpm)，在冷卻系統(tǒng)中泵送冷卻液。因此，使用的功率降低了約30%。這可以顯著提高設(shè)備的能源星級。其他研究表明，PMSM在將電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩方面可以達到90%的效率。
更高速
反過來看，諸如電鉆、HVAC和排氣扇等電器需要非常高的速度。磁場削弱(也稱磁通削弱)是一種控制技術(shù)，能夠以快于FOC技術(shù)的速度旋轉(zhuǎn)電機。為此，轉(zhuǎn)子磁體之后遇到的定子繞組中的電壓場以抵消轉(zhuǎn)子磁體中某些磁場(稱為磁通)的方式進行充電。當轉(zhuǎn)子的磁鐵與繞組對齊時，這會降低電機轉(zhuǎn)動的阻力效果。這種阻力稱為反向電磁力(BEMF)。通過磁場削弱降低BEMF，可以將電機的最高速度從25%提高到100%，只要該時間點所需的轉(zhuǎn)矩較低即可。由于大多數(shù)電器在較高運轉(zhuǎn)速度下不需要滿載轉(zhuǎn)矩，因此磁場削弱可以有效地提高它們的最高速度，從而提高運行效率。
最大程度降低噪聲
電器電機控制的第三大趨勢是最大程度降低噪聲。您是否厭倦了廚房電器的嗡鳴聲?很多人不想在家里聽到電器運行的聲音。靜音十分重要，消費者愿意為此支付更高的費用!電器電機噪聲的產(chǎn)生有多種原因。電源線中電源電壓的突然下降，以及負載或轉(zhuǎn)矩需求的突然變化，都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置估計值略微偏離。此外，PWM控制信號的時序可能與轉(zhuǎn)子位置不完全一致。這些情況中的任何一種都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子輕微抖動并產(chǎn)生可聽到的噪聲。
然而，造成電機噪聲的主要原因是導(dǎo)通和關(guān)斷金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，IGBT是一種將功率傳輸?shù)诫姍C繞組的大晶體管。每次打開或關(guān)閉這些晶體管時，繞組中電流的突然沖擊會推動周圍的空氣(與揚聲器的工作方式相同)，產(chǎn)生可以聽見的聲音或咔嗒聲。把這個聲音乘以三倍(三個電機繞組)，每秒鐘重復(fù)數(shù)千次，便會產(chǎn)生剛好處于人類平均聽力范圍內(nèi)(20至20 kHz)的電機嗡鳴聲。
幸運的是，我們有降低噪聲的解決方案。這一切都歸結(jié)于成本，但兩個關(guān)鍵的解決方案是以更高的頻率切換MOSFET并拓寬PWM。雖然所有的電機控制算法都可以使用20 kHz或更高的PWM頻率將噪聲保持在人耳的聽覺范圍之外，但是許多家用電器仍然以更低的頻率(通常在5至8 kHz范圍內(nèi))來關(guān)斷和導(dǎo)通它們的電機控制MOSFET。 這是因為，在較慢的速度下，可以低得多的價格購買集成電源模塊(IPM)(一種包含MOSFET的封裝)。
擴頻是另一種技術(shù)，一些設(shè)計正在使用這項技術(shù)來進一步降低噪聲。為此，使用隨機數(shù)發(fā)生器來改變PWM頻率。這會使PWM頻率時高時低，但平均PWM頻率將保持不變。通過將這種抖動添加到PWM頻率中，噪聲信號的幅度減小，并可實現(xiàn)顯著的降噪效果。
先進的控制技術(shù)
有一種技術(shù)在各種家電的電機應(yīng)用中都十分實用，它涉及到在啟動前和極低的轉(zhuǎn)速下掌握電機轉(zhuǎn)子相對于定子的位置。這有兩個主要原因。第一個原因是，一些電器不能反向運行(例如空調(diào)機組中的泵和壓縮機)。如果電機在啟動時轉(zhuǎn)向錯誤，即便是微小的轉(zhuǎn)動，也可能最終損壞泵并導(dǎo)致其斷裂。第二個原因是，像鉆孔機、食品加工器、洗衣機和風(fēng)扇這樣的電器需要從啟動時就獲得滿載轉(zhuǎn)矩，以便更快地達到全速運轉(zhuǎn)。
遺憾的是，與FOC一起使用的反饋電路(稱為估測器或觀測器)不能在零速或低速下工作。FOC稱為無傳感器技術(shù)。這意味著，將沒有霍爾傳感器、磁位置傳感器或光軸編碼器來提供轉(zhuǎn)子位置。為了發(fā)揮作用，F(xiàn)OC算法從三個電機繞組獲得電流反饋。當電機首次啟動時，速度過低，反饋電路無法獲得良好的讀數(shù)，電機以開環(huán)方式運行。在電機達到足夠的轉(zhuǎn)速(如50 rpm)，并且獲得良好的電流反饋后，控制回路閉合，進行正常的FOC。
為了能夠在電機啟動或低速運轉(zhuǎn)時檢測轉(zhuǎn)子位置，開發(fā)了一種使用高頻注入(HFI)的技術(shù)。在這種技術(shù)中，轉(zhuǎn)子中的三個繞組通過高頻PWM信號逐一通電，并測量電流反饋信號。通過比較這三個測量值，可以確定轉(zhuǎn)子的準確位置，并利用正確的PWM信號以正確的方向啟動泵和壓縮機的轉(zhuǎn)子。這樣做也能更快地加速電機。
另一項新技術(shù)稱為“風(fēng)轉(zhuǎn)”。通過風(fēng)轉(zhuǎn)，可以重新啟動處于滑行狀態(tài)的電機，以匹配當前電機的位置和速度，從而實現(xiàn)平穩(wěn)而不晃動的重啟。這樣既有助于降低噪聲，又能提高電機耐用性。
此外，也可以通過使用FOC最大程度地提高轉(zhuǎn)矩的方式來控制電機。這種技術(shù)稱為每安培最大轉(zhuǎn)矩(MTPA)，它允許電機在恒定轉(zhuǎn)矩階段的閉環(huán)轉(zhuǎn)換后加速旋轉(zhuǎn)。利用這種技術(shù)，洗衣機可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，從衣物中排出更多的水，無人機的電機也可以在不到300 ms內(nèi)從0 rpm加速到30,000 rpm，從而實現(xiàn)更快的起飛。
提高安全性
最后一個趨勢至關(guān)重要。行業(yè)內(nèi)發(fā)起了一項提高產(chǎn)品功能安全性的運動。這意味著電氣元件——即控制電器電機的單片機(MCU)或數(shù)字信號控制器(DSC)需要具有符合行業(yè)規(guī)范的內(nèi)置安全特性。例如，IEC 60730 B類安全規(guī)范要求在啟動時關(guān)閉MCU或DSC的PWM信號的默認狀態(tài)，以防止任何可能導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)動的瞬態(tài)尖峰電壓。
未來，行業(yè)將為電機控制設(shè)計工程師編制一本功能安全手冊，以幫助他們更好地理解如何使用MCU或DSC電機控制器件中內(nèi)置的所有安全功能。這種趨勢將使電機驅(qū)動的家用電器變得更加安全，最終讓所有人受益。以上就是電器設(shè)計中的電機控制技術(shù)，希望大家在學(xué)習(xí)過程中不斷積累經(jīng)驗。