目前,工业用电的三分之二为电机所消耗,而在居民用电中这一比例亦高达四分之一,有鉴于此,电机的效率问题继续受到更大的关注。标准的电机应用完全能以更高的能量效率运行,就电能到机械能的转换而言,大多数电机的效率较低。这意味着它们浪费了大量的能量,以发热的形式散失掉,而未能变换为有用的机械能。

此外,既然一个未受控制的电机必须克服瞬态机械负载的影响,设计者除了加大电机尺寸外很难作出其它的选择,而一个尺寸过大的AC感应电机(最常用的电机类型),其效率必然更低,因为电机是在小于其设计负载的条件下工作。

提高电机的效率

这些问题可以通过智能控制来克服,智能控制可以从两个方面大大提高电机的效率。首先,智能控制采用了先进的算法来提高电机的运行性能。最常见的方法是对AC感应电机的运行进行矢量控制,可以让电机采用合理的尺寸,以实现最优的效率。此外,速度可调也使系统能以更高的效率运行。例如,一个矢量控制的可调速驱动可避免使用传动,从而减少系统机械部件带来的能量损耗。

其次,由于系统采用智能控制,就有可能将现有的电机更换为效率更高的电机。在电器中逐步采用永磁电机就是这一发展趋势的体现。

永磁同步电机从本质上来说比AC感应电机的效率更高,因为它们没有后者与感应转子电流相关的传导损耗,它们还具有更优良的机械特性,如力矩纹波更低、运行更加安静,而且在产生同样的机械功率输出时,它们的体积更小。开关磁阻电机在一个固定或者中度变速的应用中也可以表现出极高的效率,而这些应用需要DSP控制器才具备精确、复杂控制能力。

所有这些解决方案都有一个共同点：它们利用了密集的数值计算来提高系统的性能。矢量控制算法需要先对转子磁通量的方位进行测量或者预测,然后对一个多相绕组产生的定子通量位置进行优化,在给定的通量结构下产生最大的力矩。对于一台永磁电机而言,定子通量需要隔开90度(电角度),这是产生力矩的最佳方式。因为所产生的力矩直接与两个通量间夹角的正弦成正比(在AC感应电机中,由于通量磁化分量的缘故,通量间的关系更为复杂,但基本原理是相同的)。

智能控制的实现

要实现经济性的智能控制时,面对的挑战就在于涉及的算法在数学上的复杂性,这是因为大多数微控制器(MCU)不能以实时方式处理如此复杂的计算。然而新一代廉价的数字信号处理器(DSP)控制器提供了智能控制所需的计算能力,以及片上系统(SOC)集成方式和有助于简化电机控制系统设计的软件开发支持。

运行智能控制软件的DSP控制器使得应用能够以尺寸更小或效率更高的电机来应对负载的变化,减小成本、空间占用和冷却方面的要求。尺寸更小的电机,其售价也更低,而且由于功率电子线路需要承受的电流也低,故这部分线路的成本得以缩减。基于DSP控制器的智能控制,具备经济性好的优点,而汽车、工业设备、家用电器、加热、通风和空调(HVAC)系统及多种其它电机应用都将从中获益。

先进控制能为最终设备作些什么？

    除了能让电机运行效率提高外,先进的控制技术还能让系统设计者进行革新、改进系统并降低成本。在复杂的电机应用中,对嵌入式智能控制的需求是显而易见的。例如,组装流水线上的定位伺服电机必须能适应皮带摩擦力、负载重量及其他因素的变化。用于HVAC系统中提供恒定气流的风扇电机的转速,必须不断得到调整,以补偿门禁开启、关闭所带来的压力变化。

从本质来说,智能电机控制需要对转子的磁通位置和速度进行即时计算,以便对流经电机绕组的电流进行适当的调整,确保较低的力矩波动。但是,虽然智能电机控制设计的基本要求是转子的定位和速度,但并不局限于此,其他的挑战包括：为消除电源的瞬态尖峰而提供的功率因数修正(PFC)、力矩纹波效应的消除以及对电磁兼容性规范的遵守。

用智能控制进行设计

微控制器缺乏至关重要的数值处理能力,故此就系统成本和性能而言,对智能控制来说是一种效率较低、经济性较差的解决方案。高性能DSP控制器可以实时完成转子定位和速度计算,而无需进行查表操作。由于DSP控制器可以从内部在线传感器提供的电压、电流反馈中计算出这些矢量,故没有必要采用外部的传感器。DSP控制器的处理能力使得面向现场的控制(field-oriented control,FOC)成为可能,让定子的磁场正交于转子的磁通量,以实现动态性能优良的机器。连同反馈在内的整个32bit FOC算法循环可以在10ms内完成,为通量估算器、PFC和其它算法处理留下了充裕的时间。此外,基于同一种DSP控制器平台的其它产品可以复用这些算法,从而降低了开发成本、缩短了新电机推向市场的时间。

高水平集成、开发支持

新一代DSP控制器提供了外围集成,与那些基于MCU的产品相比使用更为方便。实例之一是TI公司的150MIPS TMS320F2812数字信号处理(见图1),它采用了一个单循环32bit多重累加(MAC)数据通路或者双16bit MAC,将DSP所能保证的性能和精度与高端MCU的灵活性结合起来。快速中断处理能力,再加上用于普通控制的操作代码(如位操作和分支),使得该器件适用于多用途、多任务环境。片上的功能模块包括：闪存器、模/数转换器、脉宽调制输出和CAN总线支持等。

DSP的软件开发支持是由集成化的开发环境(IDE)保证的。效率极高的C编译器使得开发者可以生成几乎和汇编一样紧凑的目标代码,经过快速的学习曲线后可以实现出色的性能。IQMath等工具给编程者提供了一种自动的在线代码编辑器和一个用于浮点函数的库,简化了控制算法中实运算功能的使用。为了实现更快速的开发,厂商和第三方提供了现成的电机控制模块。

结语

单片式DSP控制器解决方案,包括易用的软件,使得制造商能以最小的开发投资实现智能控制功能的嵌入。因此,设备制造商和最终用户可采用合适尺寸的电机,成本更低、功耗更小、可靠性更高。高性能可编程DSP控制器所实现的智能控制技术,将为电机系统的设计者提供开发新一代环境友好“绿色”电机所需的方法。■