洗碗機水泵無傳感器PMSM驅動設計
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由于PMSM中沒有換向器(即電刷)，因此電機控制技術必須基于對轉子位置的了解。該位置必須是可測量或可估計的。測量轉子位置要求在電機軸上安裝光編碼器(傳感器)等設備，而這樣做會大幅增加系統(tǒng)成本。如果可以用一個有效的方法估算轉子位置，那么就可以不使用傳感器。根據(jù)電機運轉狀態(tài)(零速度、低速、高速等)的不同，用來估算轉子位置的方法有很多種。電機高速運轉時，可以利用觀測儀就低角誤差、動態(tài)性能、錯誤過濾等方面獲得良好結果。本文描述的解決方案使用的是“反電勢觀測儀”，它基于電機的數(shù)學模型。
用來驅動PMSM的高性能技術基于磁場定向控制(FOC)，有時簡稱為“矢量控制”。這種方法的目的，是無論機械負載轉矩變化和其他干擾如何，都能夠以精確追蹤命令軌跡的方式獨立控制氣隙中的電機轉矩和磁鏈，并實現(xiàn)盡可能快的瞬時響應。FOC方法加上估算轉子位置的反電勢觀測器，是驅動基于 PMSM洗碗機水泵的理想解決方案。
洗碗機水泵
家電制造商最近已經(jīng)開始使用PMSM來驅動洗碗機水泵，典型參數(shù)包括：
– 230V的線路電壓(歐洲)
– 6或8個磁極
– 80W額定功率
– 在d、q軸下定子相位等效電感Ld與Lq的關系為-Ld=Lq
洗碗機水泵控制算法在閉合的電流和速度環(huán)路中運行。洗碗機內的水壓用液壓系統(tǒng)(水管、噴水器等)的物理設計來表示，可以通過變換水泵的速度進行控制。
典型的洗碗機水泵運行特性包括103kPa(15psi)至827kPa(120psi)的水壓范圍和1,500rpm至3,500rpm 的機械泵速度。
PMSM電機控制方法
驅動PMSM的比較適合的控制方法有數(shù)個。根據(jù)應用性能和成本要求，本節(jié)描述的矢量控制方法(也稱為FOC)比較適當。FOC控制方法的基本原理如圖1中所述。
圖1：FOC控制方法原理
矢量控制方法的必要信息包括轉子的位置和速度，以及電機磁化磁鏈的位置。傳統(tǒng)運動控制系統(tǒng)使用解析器或編碼器。這樣，監(jiān)控轉子所需的傳感器、配線和連接器就增加了系統(tǒng)成本，降低了可靠性。對于成本敏感型應用，必須以其他方式獲取轉子位置。不采用位置傳感器的算法稱為“無傳感器控制”方法。圖2中的框圖顯示了實施的無傳感器矢量控制算法。位置和速度采用反電勢觀測儀及追蹤觀測儀進行估算，如圖所示。
圖2：PMSM矢量控制算法框圖
電機是一個動態(tài)系統(tǒng)，因此我們用一組微分方程式對其進行描述。alpha/beta靜止參照系中的定子電壓方程式可表達如下：
該數(shù)學模型描述了該洗碗機水泵應用中使用到的PMSM 的行為，因此它可用于反電勢觀測儀。
轉子位置和速度估算
一般來說，“estimator”是一個估算狀態(tài)變量的動態(tài)系統(tǒng)。estimator實施從根本上說有兩種形式：開環(huán)和閉環(huán)。在閉環(huán)estimator情況中，估算值和實際狀態(tài)變量之間的誤差作為校正項，調整響應。閉環(huán)estimator也稱為觀測儀。
反電勢觀測儀基于對電動勢的估算。反電勢模型包括來自傳統(tǒng)反電勢(轉子磁鐵)的感應電壓和來自定子電感的感應電壓。這讓我們能夠通過對反電勢的估算來估計轉子位置。這種方法在低速時有一定的局限性，因為反電勢信號非常弱，幾乎為零，而且觀測儀發(fā)散。當達到有效估算所需的最低運算速度時，反電勢觀測儀估算轉子位置，可將其作為矢量控制算法的反饋信號。正確的觀測儀運算的最低運算速度(電壓)閾值取決于電機構造，必須根據(jù)電機參數(shù)計算或直接在電機上進行測試。
觀測儀算法處理從PMSM 數(shù)學模型中得到以下方程式：
反電勢觀測儀的框圖如圖3所示。
圖3：反電勢觀測儀框圖
反電勢觀測儀輸出兩部分：(
)和(
)。這兩個信號生成關于轉子位置的信息。轉換成轉子軸角度的轉子電氣位置，可以由來自擴展反電勢估算的兩個輸入的反正切函數(shù)決定。這種方法產(chǎn)生轉子角度未過濾值，沒有速度信息。
估算轉子位置和速度的另外一個廣泛使用的方法是眾所周知的角度追蹤觀測儀。通過采用角度追蹤觀測儀，位置估算的噪音可以被過濾掉。角度追蹤觀測儀算法的另外一個優(yōu)勢是：作為算法一部分，它還會估算出轉子速度。圖4描述了角度追蹤觀測儀的結構。
圖4：角度追蹤觀測儀框圖
控制算法實現(xiàn)
以反電勢觀測儀和角度追蹤觀測儀為基礎且?guī)в修D子位置和速度估算算法的矢量控制方法，目前已經(jīng)通過飛思卡爾的MC56F8006得以實現(xiàn)。
有三條控制環(huán)路控制速度、轉矩、磁鏈?？刂扑惴ㄔ趦?yōu)先的中斷服務程序中執(zhí)行。內部控制環(huán)路最為關鍵(q軸電流和d軸電流)，每125μs執(zhí)行一次。外部控制環(huán)路(速度)每1ms執(zhí)行一次。內部控制環(huán)路不可中斷，這點可以通過為其分配適當?shù)母咧袛鄡?yōu)先級得以保證。這種方法簡化了應用框架設計，允許中斷程序優(yōu)先級由處理器自動管理。矢量控制算法處理以下模擬信號：
– 三個電機相電流(ia、ib、ic)。這些信號通過安裝在三個逆變電路底部的三個并聯(lián)電阻進行測量。
– DC總線電壓。
在任何給定實例中，只測量三個相電流中的其中兩個，計算第三個。當接通相應的底部晶體管，可以在并聯(lián)電阻器上看見電流?？梢栽谄渲袦y量電流的窗口依賴生成的PWM控制信號占空比，因此需要在適當且精確的瞬間開始ADC轉換流程。借助MC56F8006 DSC中特別設計的硬件，可以圓滿完成這一艱巨任務。PWM模塊生成的可配置同步脈沖，可以輸入到可編程時延塊(PDB)中。之后，同步脈沖由PDB模塊進行處理，輸出直接觸發(fā)ADC模塊，實現(xiàn)對ADC測量的精確同步控制。這種同步機制由硬件進行處理，沒有任何軟件干預。軟件只需要讀取ADC結果寄存器。這里描述的應用使用這一功能，每125μs轉換6個模擬信號。ADC模塊包含兩個獨立的12位ADC轉換器，在經(jīng)過配置后可以依次、同時或并行運行。要進行相位電流取樣，使用同時運行模式同時在兩個相位上進行ADC測量。這樣就實現(xiàn)了精確的瞬時測量，三個相位電流都可以從該測量中提取。
由于反電勢觀測儀不從零速度開始運行，轉子通過驅動電機達到已知狀態(tài)(相位)進行校準，這樣我們就了解了初始轉子位置。然后使用開環(huán)啟動算法，將電機加速到反電勢觀測儀能夠提供精確反饋結果的速度。從開環(huán)啟動到閉環(huán)控制的切換平穩(wěn)進行。
洗碗機水泵解決方案的運行圖如圖5所示，基于飛思卡爾MC56F8006的逆變器如圖6所示。
圖5：運行洗碗機泵演示
圖6：采用飛思卡爾MC56F8006器件的三相逆變器
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