壓縮機(jī)電機(jī)的變速控制可以極大地降低峰值和平均能耗。然而，由于空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)要求減少季節(jié)性平均能耗，就連蒸發(fā)器和冷凝器風(fēng)扇的能耗控制也顯得很重要。 電器設(shè)備制造也面臨艱巨的設(shè)計挑戰(zhàn)，不僅要滿足能效標(biāo)準(zhǔn)，還要應(yīng)付鋼、鋁和銅等原材料價格的飛漲。壓縮機(jī)電機(jī)的變速控制可以極大地降低峰值和平均能耗。然而，由于空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)要求減少季節(jié)性平均能耗，因此蒸發(fā)器和冷凝器風(fēng)扇消耗的能量也很重要。 洗衣標(biāo)準(zhǔn)的重點是洗衣時的熱水消耗以及脫水過程中的脫水量，目的是減少熱水器和干燥機(jī)的能耗。全球有些地區(qū)干旱問題非常嚴(yán)重，因此洗衣標(biāo)準(zhǔn)要求減少總耗水量。這些標(biāo)準(zhǔn)同樣適用于電冰箱和抽水泵等較低功率電器設(shè)備，因為這些連續(xù)運轉(zhuǎn)的設(shè)備會消耗很多能量。它們還需要添加新的產(chǎn)品功能，以便不靠價格戰(zhàn)也能在市場中立于不敗。 制造商們正在關(guān)注永磁同步電機(jī)（PMSM），因為它們具備很高的效率，而且鐵和銅的用量也很少。要想極具性價比地應(yīng)用PMSM變速控制功能，需要采用某種控制方法來避免使用工業(yè)傳動設(shè)備中經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)子位置傳感器。無傳感器的磁場定向控制（FOC）算法可以僅根據(jù)電流測量實現(xiàn)高性價比的PMSM變速控制。 設(shè)計挑戰(zhàn)在于如何優(yōu)化算法以滿足許多不同設(shè)備的性能要求。能效是壓縮機(jī)速度控制中最重要的要求，但在蒸發(fā)器風(fēng)扇控制中降低噪聲是關(guān)鍵。用于加熱的熱水循環(huán)泵控制不要求具備很高動態(tài)響應(yīng)的，但冷水供應(yīng)泵控制則要求很高的動態(tài)響應(yīng)以保持水流快速變化時的水壓。洗衣機(jī)的電機(jī)控制要求在低速時有較高的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制能力以改善洗衣周期，但在脫水過程中要求實現(xiàn)非常高速的控制。 無傳感器電機(jī)控制 FOC是在高端工業(yè)傳動裝置中常用于永磁交流電機(jī)控制的技術(shù)。該技術(shù)提供了很好的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制，同時提高了電機(jī)的效率。電機(jī)電流是正弦波，因此轉(zhuǎn)矩非常平滑，從而有效地降低了噪聲和機(jī)械振動。 雖然這種性能非常理想，但設(shè)備制造商卻無法降低伺服電機(jī)中常用的高分辨率轉(zhuǎn)子位置傳感器的成本。然而，只要在低速性能方面作少許妥協(xié)，就不需任何位置傳感器也能實現(xiàn)磁場定向控制。圖1所示的無傳感器FOC算法可以從轉(zhuǎn)子磁通量得到位置參數(shù)，它是通過計算繞組反電動勢的積分獲得的。 這種方法在中、高速時可以取得很好的控制性能，但當(dāng)電路和測量噪聲干擾反向電動勢信號時，低速的性能則會下降。但是這不算是很重要的問題，因為設(shè)備傳動不要求把轉(zhuǎn)矩完全控制到零速。 控制器使用加在繞組電壓和測量電流來計算源自電機(jī)電路模型的繞組反向電動勢。電機(jī)繞組電流的直接測量相對比較昂貴，因為高共模電壓，所以它需要進(jìn)行隔離式測量。更具性價比的方法是通過采樣直流環(huán)分路電流來重構(gòu)電機(jī)電流。采樣定時信號取自決定逆變器開關(guān)狀態(tài)的脈寬調(diào)制器（PWM）。每個PWM周期有兩個允許采樣不同相位電流的有效狀態(tài)。因為繞組電流的總和為零，所以第三相電流就很容易確定了。 因為反電動勢項是正弦和余弦函數(shù)，兩相電路模型簡化了磁通估算器的計算。兩相等效電壓和電流在FOC電流環(huán)內(nèi)很容易得到。等式1a和1b對繞組反向電動勢、電阻和電感進(jìn)行了建模。 對這些等式積分得出等式2a和2b，其中的各個項是轉(zhuǎn)子磁通角的正余弦函數(shù)。 角度和速度鎖相環(huán)（PLL）促使角度估計跟蹤轉(zhuǎn)子磁通角，并得出位置和速度信息。PLL使用Park矢量旋轉(zhuǎn)來計算角度估計誤差的正弦值，當(dāng)鎖定為轉(zhuǎn)子角時該值為零。開始時，磁通估計器信號是不可靠的，因此PLL運行在開環(huán)模式。電機(jī)和負(fù)載模型將驅(qū)動角度積分器估計轉(zhuǎn)子速度。當(dāng)電機(jī)達(dá)到某一最低速度時PLL切換到閉環(huán)模式。 無傳感器PMSM控制設(shè)計平臺 數(shù)字控制芯片可以利用專用的運動控制處理器實現(xiàn)無傳感器的FOC算法。運動控制引擎（MCE）里有一個定序器，用來鏈接MCE庫中的電機(jī)控制ASIC函數(shù)。這種技術(shù)可以結(jié)合了可編程系統(tǒng)的靈活性和專用ASIC的速度與效率優(yōu)勢。控制芯片還集成有電機(jī)相位電流測量所需的模擬放大器和AD轉(zhuǎn)換器。 PWM調(diào)制器無需軟件參與就能自動產(chǎn)生采樣定時信號。控制芯片中的另一個基本單元是用于實現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用功能的8位微控制器內(nèi)核。這個8位處理器是系統(tǒng)主處理器，管理著負(fù)載切換、速度分布和外部通信。它利用共享RAM塊實現(xiàn)與MCE的通信，因此電機(jī)控制算法幾乎獨立于8位處理器工作，而僅在設(shè)置點或控制參數(shù)變化時起反應(yīng)。 設(shè)計平臺包括數(shù)字控制芯片和用于空調(diào)、洗衣機(jī)或水泵等專用設(shè)備的集成式電源模塊。設(shè)計套件包含了可投入實際使用的應(yīng)用開發(fā)板，上面有交流輸入整流器、電源、控制芯片和電源模塊，如圖2所示。 控制芯片固件包含有完整的無傳感器控制算法和一個基于8051的調(diào)試代理。后者能夠幫助用戶輕松定制控制參數(shù)來滿足具體的設(shè)備要求。 應(yīng)用程序開發(fā)挑戰(zhàn) 控制算法具有針對不同設(shè)備應(yīng)用的多種特性?？照{(diào)壓縮電機(jī)使用內(nèi)部永磁（IPM）電機(jī)，因為它們效率更高。IPM電機(jī)產(chǎn)生的每安培轉(zhuǎn)矩比表面磁電機(jī)要高出15%左右，這是磁力矩造成的。針對IPM電機(jī)轉(zhuǎn)矩的等式3包含有電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩項，其中磁阻轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)電流的平方值而變化，是轉(zhuǎn)子角度2倍的正弦函數(shù)。 從圖3所示轉(zhuǎn)矩函數(shù)曲線圖可以看出，需要提前相位角，并將它作為電流的函數(shù)來最大化每安培的轉(zhuǎn)矩。 無傳感器控制器包含有這個角度提前功能，其增益取決于電機(jī)的凸極（它是磁化的首選方向）。 洗衣機(jī)控制是極具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，因為它要求非常寬的速度范圍。在低速洗衣時，要求具備很高的轉(zhuǎn)矩，因此電機(jī)設(shè)計應(yīng)該最大化轉(zhuǎn)子磁通。然而，在脫水過程電機(jī)運轉(zhuǎn)速度將達(dá)到洗衣速度的20多倍，此時要求非常低的轉(zhuǎn)子磁通。磁場定向控制器可以很好地管理這一過程。一旦反向電動勢達(dá)到逆變器電壓極限，它就注入一個直流分量并置在轉(zhuǎn)子磁通上。磁場弱化電流的計算非常復(fù)雜，因為它隨速度和負(fù)荷的變化而變化。磁場弱化控制器采用反饋控制環(huán)路監(jiān)視定子電壓幅度以避免這種計算，當(dāng)幅度接近逆變器極限時自動增加磁場弱化電流。 洗衣機(jī)控制面臨的另一個挑戰(zhàn)是在進(jìn)入脫水程序前對洗衣負(fù)荷的失衡檢測。對負(fù)荷失衡檢測的改進(jìn)可以節(jié)省常用于解決失衡問題的機(jī)械式阻尼器，并減輕由于失衡導(dǎo)致的振動?？刂破鲗㈦姍C(jī)電流分離為磁場控制和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流，從而提供負(fù)荷信息。洗衣機(jī)控制工程師使用MCE庫中的函數(shù)建立他們自己的負(fù)荷失衡濾波器。在8051處理器上運行的洗衣機(jī)循環(huán)軟件再從共享存儲器中讀取濾波器輸出數(shù)據(jù)，然后決定旋轉(zhuǎn)速度。