三相交流马达正成为新型设计的首选,在许多应用领域内,它已经替代了电子控制驱动器。目前,用在变速驱动器中的马达主要是电刷式马达和单相交流马达(ACIM)。在驱动器中,这些马达的速度是由三端双向可控硅通过调节传导角来控制的,但这种技术非常简单,不能满足微控制器的特殊要求,而这些驱动器通常都需要8位微控制器。
为了解决这个问题,新一代的变速驱动器设计采用了三相无电刷交流马达,主要包括三相ACIM和永磁同步马达。
感应还是永磁
所有三相ACIM和永磁同步马达的定子上都有一个三相绕组,并都带有三相电源。在ACIM中,转子磁通是通过磁化定子绕组上的电流而产生的,但会在定子绕组上产生损失。而永磁同步马达使用永磁体来产生磁通,这比感应马达更有效。对于不同的额定功率,永磁同步马达中的总损失只会是感应马达的50%或60%。不过,永磁同步马达的主要缺点就是磁性材料带来的高成本。虽然磁性材料的质量不尽相同,但永磁马达的总成本将会比感应类型高20%。
永磁同步马达适合于各种工业、商业和主要变速驱动领域,包括冰箱的压缩机,汽车通风/空调设备,电子动力方向盘和刹车系统。此外,它还非常适合于洗衣机,因为该马达体积小,可直接安装在滚筒上,这就省去了皮带和皮带轮,使机器更加简单和安静。
高性能的马达控制要求马达在其整个速度范围内能实现平滑旋转,零速时能实现全扭矩控制,速度转换快。要达成这样的目的,用于三相交流马达的磁场导向控制(FOC)技术就必不可少。使用了FOC,设计者就可以将定子电流分解成磁通和扭矩分量,进而单独控制它们。这样,马达控制器的结构就如同单独的直流马达一样简单。
为了将电流分解成扭矩和磁通分量,我们需要知道马达转子的位置。无传感器控制方法就是一种,它可用于所有的马达。其可分成两类,第一类被称为“基于马达模型”的方法,马达的速度通过基于马达基本数学模型的静态观察器来确定。另一种方法则被称之为“马达特性追踪”法,它能根据测量马达阻抗的变化来检测转子的位置。后一种方法效果好,还能在马达零速时发挥作用。然而,将其应用在所有马达上是不现实的。
马达控制器
用于三相交流马达的高级控制技术需要高级的处理能力,因此需要综合DSP处理能力和单芯片的微控制器功能的数字信号控制器(DSC)参与其中。
DSC的微控制器式编程模型和优化的指令集(包括了高效的寻址方式)会给设计者提供很多帮助,它们能兼容符合DSP和MCU应用条件的高效压缩编码。同时,一套适合各种马达控制器的指令集也给DSC的高级处理能力提供了有力的支持。此外,DSC的高性能PWM控制模块对有效驱动不同类型的马达也很关键,它能为与12位ADC的同步提供参考输出。这种DSC还有一个16位4定时器模块组,其频率能达到96MHz。
为了追踪马达磁通和转子的即时位置,还需要对复杂的马达模型进行估算,并让其运行大约50μs。在此期间,DCS必须在每一个周期内读取相电流和电压。
快速和准确的12位ADC也是必须的,每一个ADC的读数采样时间必须要精确。这项任务将交由整合了PWM模块、时钟模块和ADC模块的同步系统来完成。