能效已成為衡量家用電器性能的一個重要參數，例如冰箱和洗衣機，以及建筑使用的電氣系統如空調壓縮機等。然而，傳統上使用的感應電動機通常運行于由電網頻率決定的某個固定速度上，比如說，為了保持一定的溫度，只是簡單的在開與關兩個狀態之間切換。這就導致了效率低下，并且往往選擇的電機比實現同樣目的所必需的電機體積更大、更重，也更昂貴。 [ALIGN=CENTER] 圖1：永磁同步電機（PMSM）等效電路 [/ALIGN] 然而，對電機進行變速控制，可在正常運轉的條件下選擇效率最高的運行速度。由于僅僅使用速度控制就可提高效率30%以上，設計工程師已熱衷于在下一代家電產品中使用變速電機驅動。 　　 速度控制的挑戰 　　 對于感應電動機的高性能變頻控制是有一定技術難度的。雖然已有多種開環和閉環的控制技術，但對轉矩進行高動態控制仍是非常困難的，因為轉子電流無法測量，而且轉子電路時間常數很大且不固定。 　　 與此相對的是，一旦知道了轉子位置，對同步電動機的轉矩控制則變得相當直接和容易實現。永磁同步電機（PMSM）的另一個優點是，與同體積的感應電機相比，前者可獲得一個很高的連續轉矩。這是因為永磁電機不需要轉子電流，具有比感應電機效率更高的內在優點。 但是，為測量轉子的位置角，設計者需要增加一個昂貴的旋變或者霍爾傳感器以測量軸的位置。過去，這些因素使變速驅動永磁同步電機的使用局限于高端的工業設備。直到最近，“無位置傳感器”控制使得變速驅動更加經濟因而可以應用在家用電器當中。 　　 最早的無位置傳感器控制對電機繞組使用六步換向程序，通過檢測開環繞組的反電動勢估算轉子位置。這種方法可以實現魯棒的速度控制，但不能保證平滑的轉矩。首先，采用六步換向方法時，要想獲得平穩的轉矩，電機應具有梯形的反電動勢，而不是通常的正弦波。其次，更大的問題在于，當電流在換向過程中切換入相隔的繞組時，會引入轉矩擾動。這個問題在高速時尤為嚴重，因為電機的反電動勢會延緩流出繞組的電流下降速度，并抑制流入繞組的電流快速升高。轉矩擾動可在風扇、洗衣機、水泵及空調設備中產生明顯的噪聲， 因為電機轉矩中的高次諧波容易引起系統的機械共振。盡管如此，這種控制器由于實現簡單，仍可在不需要平滑轉矩控制的場合使用。 　　 改進的無位置傳感器算法 　　 另外一種無位置傳感器控制方案在近些年較受歡迎，這緣于高性能的DSP和基于RISC控制器的持續降價，使得更加復雜的控制算法得以實現。采用“電流型無傳感器”控制器使得永磁同步電機可由正弦電流和電壓驅動，并基于測得的電機電流估算轉子位置。六步換向控制器方法帶來的音頻噪聲得到消除，同時該算法有效獲得了平穩轉矩。 我們以International Rectifier （IR，國際整流器公司）采用的轉子位置估算算法為例，該算法基于圖1中所示的永磁同步電機的簡易模型。這個算法應用了電機繞組反電動勢為轉子角度的正弦函數這個原理。圖1所示模型中，首先測量定子電壓下流入定子線圈的電流，并計算出反電動勢。為提取出轉子角度，將這些反電動勢項積分計算轉子磁鏈，這是一個獨立于轉速的函數，進而精確地估算出轉子的角度。 　　 采用DSP或RISC實現這種算法的缺點，是需要進行冗長且容易出錯的編程，這樣就使驅動設計小組增加了軟件開發任務，導致項目復雜化，需要額外且代價高昂的工程技巧和經驗。 　　 算法的硬件移植 　　 為減少編程的時間和成本，IR已經將它的算法硬件化，作為專用芯片組的一部分。該芯片組分別集成了一個可工作的完整PMSM調速驅動器所需的周邊控制和功率半導體器件，還包含了三相逆變器驅動IC和高電壓電流傳感IC，以提供數字控制IC和功率部分之間的必要鏈接。 　　 由于取消了軟件代碼的工作量，這種基于硬件的方案可使變速驅動器占領中低端家電市場。 　　 可定制的硬件平臺 　　 IR的角度估算技術是控制算法的關鍵，但要實現圖2框圖中所示的控制系統還需要很多其他技術。該控制器包括一個提供參考轉矩的外部速度環和一個控制繞組電壓的內部電流環。這個定子電流環使用磁場定向控制技術（FOC）在旋轉坐標系中實現。 　　 一個隨著轉子角度變化而變化的旋轉矢量可將定子電流變換為兩個正交的直流分量ID 和IQ。IQ電流是正交于轉子磁通的分量，也是產生轉矩的電流分量。IQ的參考輸入值取自速度環的輸出。ID電流方向平行于轉子磁通，是加強或抑止轉子磁通的電流。在大多數速度范圍內通常將ID設定為零，但是，如果需要擴展到恒功率速度范圍，則可以調整ID以削弱轉子磁通（弱磁運行）。 　　 IR的運動控制引擎（ＭＣＥ），如圖３，將這些算法集成進一個單片IC。片上集成了一個交流電機控制庫以及其他一些通用的組件，包括模擬量輸入和空間矢量ＰＷＭ控制，便于進行快速和直接的配置。這樣，控制系統的開發人員可使用圖形化的工具從庫中拉出合適的組件進行系統設計，通過圖形編譯器將系統設計轉化為運動控制引擎的一系列指令，以正確的順序聯結各個硬件宏模塊，以實現某個控制算法。 　　 總結 　　 將系統設計轉化為運動控制引擎的一系列指令，以正確的順序聯結各個硬件宏模塊，以實現某個控制算法。 　　總結 　　取消恒速感應電機而使用更小、更便宜的永磁同步電機，以更加有效、更加有利于環境的方式實現變速，這個前景使工程師們看到了巨大的機會。無位置傳感器的控制算法提供了一個低硬件成本的上乘的解決方案，但該算法一般要在DSP或RISC上面運行，對開發者而言需要掌握相當全面的軟件設計技術。 　　一種基于專用的無位置傳感器控制器IC并集成了運動控制引擎（MCE）的新設計平臺可滿足設計者的需求。MCE包含了實現閉環無位置傳感器正弦控制所需的所有控制元件，這使得設計師可以采用最先進的技術，來滿足法規和消費者對下一代風扇、水泵、空調和家用電器提出的更高效率的要求。 取消恒速感應電機而使用更小、更便宜的永磁同步電機，以更加有效、更加有利于環境的方式實現變速，這個前景使工程師們看到了巨大的機會。無位置傳感器的控制算法提供了一個低硬件成本的上乘的解決方案，但該算法一般要在DSP或RISC上面運行，對開發者而言需要掌握相當全面的軟件設計技術。 　　 將系統設計轉化為運動控制引擎的一系列指令，以正確的順序聯結各個硬件宏模塊，以實現某個控制算法。 　　總結 　　取消恒速感應電機而使用更小、更便宜的永磁同步電機，以更加有效、更加有利于環境的方式實現變速，這個前景使工程師們看到了巨大的機會。無位置傳感器的控制算法提供了一個低硬件成本的上乘的解決方案，但該算法一般要在DSP或RISC上面運行，對開發者而言需要掌握相當全面的軟件設計技術。 　　一種基于專用的無位置傳感器控制器IC并集成了運動控制引擎（MCE）的新設計平臺可滿足設計者的需求。MCE包含了實現閉環無位置傳感器正弦控制所需的所有控制元件，這使得設計師可以采用最先進的技術，來滿足法規和消費者對下一代風扇、水泵、空調和家用電器提出的更高效率的要求。 一種基于專用的無位置傳感器控制器IC并集成了運動控制引擎（MCE）的新設計平臺可滿足設計者的需求。MCE包含了實現閉環無位置傳感器正弦控制所需的所有控制元件，這使得設計師可以采用最先進的技術，來滿足法規和消費者對下一代風扇、水泵、空調和家用電器提出的更高效率的要求。