瑞薩電子核心電機(jī)控制解決方案RAMDA

　　摘要

　　RAMDA(Renesas Advanced Motor Drive Algorithm)算法是瑞薩電子提供的先進(jìn)電機(jī)控制解決方案，瑞薩電子具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　本文介紹了RAMDA算法的技術(shù)特點(diǎn)和基本原理。以空調(diào)室外機(jī)為例，基于瑞薩的RX高性能單片機(jī)結(jié)合RAMDA算法，開(kāi)發(fā)者可以很容易的構(gòu)建具備高質(zhì)量、高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功率因數(shù)校正功能的室外單芯片驅(qū)動(dòng)方案。

　　關(guān)鍵詞

　　RAMDA算法，功率因數(shù)校正，力矩控制，過(guò)調(diào)制，弱磁控制

　　引言

　　隨著綠色環(huán)保、節(jié)能減排逐漸成為中國(guó)市場(chǎng)和社會(huì)的主題，政府監(jiān)管力度逐年加大，對(duì)各類產(chǎn)品的低能耗要求也越來(lái)越嚴(yán)格。從剃須刀，吹風(fēng)機(jī)這樣的小家電，到工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，種類繁多的電機(jī)在各種消費(fèi)類產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品中扮演著核心角色，為了達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，電機(jī)控制技術(shù)變得尤為重要。針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)，瑞薩在積極推廣高性能、低功耗RX單片機(jī)的同時(shí)，還開(kāi)發(fā)了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)電機(jī)控制解決方案RAMDA算法，用以構(gòu)建高性能、高可靠性的永磁同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)解決方案，幫助客戶開(kāi)發(fā)新一代綠色環(huán)保的新產(chǎn)品。

　　家用電器保有量巨大，總能耗也十分可觀，是國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)。尤其對(duì)家用電器中的能耗大戶-空調(diào)器的能效要求逐年提高，其中空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)是提升能效的關(guān)鍵技術(shù)。

　　通過(guò)在RX單片機(jī)上結(jié)合RAMDA算法，客戶可以快速開(kāi)發(fā)出高性能，高可靠性的空調(diào)室外機(jī)系統(tǒng)。

　　RAMDA算法簡(jiǎn)介

　　?RAMDA算法是瑞薩電子提供的先進(jìn)變頻驅(qū)動(dòng)解決方案，瑞薩電子具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　?RAMDA算法集電機(jī)控制和單相交流電源功率因數(shù)校正技術(shù)于一體，配合RAMDA程序框架，為用戶整體系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)平臺(tái)和友好的用戶接口。

　　?RAMDA算法具備兩大核心技術(shù)：用于調(diào)節(jié)電源功率因數(shù)的A-PAM功能和先進(jìn)的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。而這樣的算法，不增加硬件成本，相反，兩大核心技術(shù)同時(shí)提供了精簡(jiǎn)的硬件需求。

　　?經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的市場(chǎng)驗(yàn)證，得到客戶的充分認(rèn)可。

　　下圖為RAMDA控制邏輯框圖：

　　(1)用于功率因數(shù)校正的A-PAM技術(shù)

　　A-PAM技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)

　　?直流母線電壓可變

　　?變頻系統(tǒng)綜合效率可調(diào)節(jié)

　　基于A-PAM，用戶可以精確控制直流母線電壓的輸出值，在保證系統(tǒng)綜合效率的前提下，提供足夠的直流母線電壓。 與傳統(tǒng)PFC相比較，A-PAM可以限制直流母線電壓的輸出值，PFC電路效率也比較高。

　　通過(guò)限制直流母線電壓，客戶可以選擇更低耐壓等級(jí)的濾波電容器，實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本。例如在單相220V供電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)PFC的輸出直流電壓一般在350[V]-390[V]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者會(huì)選擇450[V]耐壓的濾波電容器。采用了A-PAM技術(shù)后，可以實(shí)時(shí)的根據(jù)負(fù)載的變化把直流母線電壓限制在最高340[V]±1[V],系統(tǒng)設(shè)計(jì)就可以選擇400[V]耐壓的濾波電容器，降低了系統(tǒng)的硬件成本。

　　另外，A-PAM技術(shù)不需要檢測(cè)交流電壓過(guò)零點(diǎn)或者幅值的硬件電路，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。

　　(2)先進(jìn)的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　RAMDA算法提供基本的永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，基于電機(jī)的基本參數(shù)(磁極數(shù)、繞組電阻、同步電感、最大磁通量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)使電機(jī)高效穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　而RAMDA算法與眾不同之處，是其獨(dú)創(chuàng)的力矩控制算法。

　　家電中普遍采用的都是單轉(zhuǎn)子類型的電機(jī)，如空調(diào)壓縮機(jī)等。在普通算法的驅(qū)動(dòng)下，單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)會(huì)引發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)。這種振動(dòng)時(shí)有害的。以空調(diào)系統(tǒng)為例，在低轉(zhuǎn)速(低于30[rps])的情況下，會(huì)形成系統(tǒng)共振，系統(tǒng)噪音提高，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)力集中點(diǎn)的損壞。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，電動(dòng)機(jī)相電流的峰值高，諧波大，高頻的噪音高，并且限制了變頻器的輸出能力。針對(duì)這樣的市場(chǎng)要求，RAMDA算法包含了以下兩個(gè)力矩波動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)：

　　?G-type力矩控制

　　在G-type力矩控制作用下，系統(tǒng)振動(dòng)達(dá)到最低，從而保證系統(tǒng)在低速下平穩(wěn)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)，擴(kuò)大了系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的低頻范圍。通過(guò)下圖可以看出，G-type力矩控制可以在低于30[rps]時(shí)大幅降低系統(tǒng)振動(dòng)。

　　各種力矩控制作用下，系統(tǒng)振動(dòng)振幅在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的比較圖。

　　?M-type力矩控制

　　在M-type力矩控制作用下，變頻器輸出恒定的力矩，電動(dòng)機(jī)相電流波形峰值下降，降低了諧波與功率損耗，降低了系統(tǒng)噪音。下圖為M-type力矩控制時(shí)的電動(dòng)機(jī)相電流波形與沒(méi)有力矩控制是的電動(dòng)機(jī)相電流的比較。

　　沒(méi)有力矩控制時(shí)的相電流波形

　　M-Type力矩控制時(shí)的相電流波形

　　獨(dú)創(chuàng)的過(guò)調(diào)制技術(shù)

　　與A-PAM技術(shù)相配合，提高直流母線電壓的利用率，過(guò)調(diào)制會(huì)帶來(lái)諧波失真。為了克服這一缺陷，RAMDA算法中限制諧波失真度低于10%，通過(guò)精準(zhǔn)的計(jì)算調(diào)制度與輸出電壓和直流母線電壓比值之間的關(guān)系，RAMDA算法開(kāi)發(fā)了獨(dú)創(chuàng)的過(guò)調(diào)制算法。如下圖所示如果不應(yīng)用過(guò)調(diào)制技術(shù)，最大調(diào)制度只能到1.15。

　　線性調(diào)制

　　在保證諧波失真度低于10%的情況下，應(yīng)用RAMDA算法的過(guò)調(diào)制技術(shù)，調(diào)制度最大可以達(dá)到2。

　　過(guò)調(diào)制

　　弱磁控制功能

　　盡量避免輸出電壓飽和，保證在有限的直流母線電壓的情況下，輸出符合要求的力矩。

　　隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，繞組中的感應(yīng)電壓幅值越來(lái)越高。 當(dāng)直流母線電壓一定時(shí)，繞組端電壓的幅值有限。 這樣，如果仍然根據(jù)MTPA等算法發(fā)送電壓指令，繞組電壓甚至低于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電壓， 這就會(huì)導(dǎo)致繞組中的電流不足，逆變器無(wú)法輸送足夠的功率給電動(dòng)機(jī)。 為了解決這一個(gè)問(wèn)題，有意在d-軸上增加負(fù)的電流，讓繞組電壓的相位超前感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 以保持輸出到電動(dòng)機(jī)的功率。這就是弱磁控制。 對(duì)于IPM電機(jī)來(lái)說(shuō)，我們定義三種弱磁的“境界” 1)充分利用永磁扭矩和磁阻扭矩的MTPA算法。 2)直流母線電壓一定條件下，保持輸出扭矩恒定的“淺弱磁” 3)直流母線電壓一定條件下，保持高轉(zhuǎn)速和恒定輸出功率的“深度弱磁”。

　　弱磁控制基本原理

　　李鐵鋼 顧晨宇

　　Li Tiegang Gu Chenyu

　　瑞薩電子(中國(guó))有限公司 北京

　　Renesas Electronics China, Beijing,