永磁同步电机(PMSM),无刷直流电机的控制以及开关模 式电源(SMPS)的设计
作者: Daniel Torres 飞思卡尔半导体公司应用工程师
简介 现在,大部分帮助我们生活得更轻松,更舒适的设备都需要机械运动的控制,诸如 洗衣机,冰箱,风扇,空调,电动工具和搅拌器等等.
所有这些设备都需要消耗能量以产生机械运动,而有效利用能源的途径取决于控制 系统,电气机构的设计及控制算法等.我们面临的一个最大挑战就是能源的有效利 用.对于这个问题,绝大部分的工作都集中在机械运动控制系统上.因此,许多节 能方面的进步是通过改进电机控制技术,结构设计,材料和制造精度来实现的.
早在几年前,人们就已经开发出了更高效的控制技术,但执行这类复杂算法和计算 所需的 CPU 成本较高,不能满足成本敏感市场(如家电市场)的需求.这种情况 在最近几年已经发生了变化,成本更低并且具有执行这些复杂的控制算法所需的所 有功能的高性能数字信号控制器已经面世.
实现节能的另一个开发领域是功率转换.功率转换系统用于将电能从一种形式转换 为另一种形式,在此过程中,由于系统的固有能耗,拓扑结构的效率,控制技术以 及所采用的电子元器件,必然会产生一定的能量损失.大部分功率转换控制是由模 拟电路实现的,但新的节能法规提出的要求越来越高,使得模拟控制的系统越来越 难以满足这些要求.
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MCU 和 DSC 的使用为此开辟了新的前景.现在,借助数字控制技术和由高性能, 低成本的数字信号控制器(DSC)实现的复杂数学运算,功率转换系统的效率达到 98%是完全可行的.
设计中的难点
机械运动控制设计中的难点 在机械运动控制中会使用多种电机,包括无刷直流电机,有刷换向永磁直流电机, 线性电机和步进电机等.
系统工程师不但需要选择正确的电机来完成机械动作,还必须选择适当的控制环路 结构来满足系统的机械和电子时变响应的要求.控制环的调节通常在电子驱动装置 的设计阶段进行.由于不同的电机对电子驱动装置有一系列不同的设计要求,开发 人员可能需要处理大量的设计变量.此外,由于电动机的感性特点,它容易造成电 磁干扰(EMI),射频干扰(RFI)和具有破坏性的瞬间高能量,因此,电机本身 也使电子驱动装置的设计变得更为复杂.这类电子驱动设备的设计不但要避免电磁 干扰(EMI)和射频干扰(RFI),还必须能够承受瞬间过电压和过电流的情形.
BLDC 电机已广泛应用于许多领域.BLDC 电机不带换向器,因而比直流电机更可 靠.BLDC 电机在许多方面也优于交流感应电机.BLDC 电机通过转子磁体生成旋 转磁通,具有很高的效率,因而它们一般用于高端家用电器(如冰箱,洗衣机和洗 碗机),高端水泵,风扇和其它需要较高可靠性和效率的设备中.也由于 BLDC 电机的结构非常牢固,它们广泛应用于泵,风扇和压缩机等应用中.这些应用的共 同特点是它们不需要位置信息,只需要速度信息,而且只需要控制速度.BLDC 电 机的使用不需要复杂的控制算法.
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在 BLDC 电机中,必须知道转子的位置,才能提供相电压对并控制其电压值.如 果用传感器检测转子的位置,那么检测到的信息必须传送到控制单元中去.
这就需要与电机建立额外的连接,可是这在有些应用中是无法接受的.有时候可能 无法建立与位置传感器的物理连接.有时,位置传感器和布线所产生的费用可能是 无法接受的.虽然物理连接的问题可以通过在电机内部集成驱动器的方法加以解 决,但大量的应用由于低成本的特点,需要无传感器的解决方案.
永磁同步电机(PMSM)可以用一个与电源频率同步的恒定速度进行旋转,而不受 负载和线路电压的影响.电机运行可以保持恒定的,与电源频率同步的速度,只要 转矩不超过电机的极限运行值.因此,PMSM 是高精度定速驱动的理想选择.
3 相 PMSM 是一种永励电机.它能产生非常高的功率密度,非常高的效率和极好 的响应,所以能适应机械工程领域中最复杂的应用.另外它还具有很强的过载能 力.PMSM 基本上不需要维护,因此可以确保最高效的运行.
高精确的速度规定使 PMSM 成为特定工业过程的理想选择.PMSM 的速度/转矩特 性非常适用于直接驱动大马力,低转速(rpm)的负载.
同步电机能够以较高的功率因数运行,因此能提高整个系统的功率因数,进而能消 除或减少功率因数的损失.功率因数的提高还可以减少系统及电机终端的压降.
PMSM 舍弃了励磁线圈,而且转子的转速与定子磁场的转速相同.PMSM 的这种 设计可以消除转子铜损,与传统的感应电机相比可以产生极高的效率峰值.PMSM 的功率重量比也高于感应电机.

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