摘要：  用于风机、水泵、空调、冰箱、洗衣机、电梯和传输等应用领域的电动机消耗着全球半数以上的电能，其中大多采用仅能简单开启和关断电机的高能耗机电驱动装 置。仅在家电应用中以变频解决方案替代这些低效率电机就可以削减多达60%的能源消耗。大部分家电采用通用直流电机或单相交流感应电机，其速度控制方法相 当粗略，要么采用开断控制，要么依靠可控硅控制导通相角，其典型系统效率最高也就能达到50%左右。不过，随着高效功率器件和先进数字控制器的问世，将更 具效率的电机和控制技术应用于最新家电已经成为可能。

关键字：  风机，  水泵，  空调，  冰箱，  洗衣机，  电梯

 用于风机、水泵、空调、冰箱、洗衣机、电梯和传输等应用领域的电动机消耗着全球半数以上的电能，其中大多采用仅能简单开启和关断电机的高能耗机电驱动装 置。仅在家电应用中以变频解决方案替代这些低效率电机就可以削减多达60%的能源消耗。大部分家电采用通用直流电机或单相交流感应电机，其速度控制方法相 当粗略，要么采用开断控制，要么依靠可控硅控制导通相角，其典型系统效率最高也就能达到50%左右。不过，随着高效功率器件和先进数字控制器的问世，将更 具效率的电机和控制技术应用于最新家电已经成为可能。

 交流电机的选择

 任何交流电机的轴端输出力矩都取决于定子和转子磁场间的耦合角。定子绕组电流的磁化力与转子产生的气隙磁通相互作用产生力矩，该力矩趋于将转子磁通与定子 磁场对齐，当定子磁化电流矢量与转子磁通矢量相位错开90° 时，该力矩达到最大值。在直流电机中，永磁体固定不动，由换相器和电刷的切换作用确保电枢磁场与定子磁极正确对齐。在交流电机中，气隙磁场旋转，不过，只 要定子和转子磁场的旋转频率保持同步仍旧可以产生恒定力矩。

 交流电机具有两种主要类型：同步电机和感应式电机（也通常称作异步电机）。在同步交流电机中，转子磁场由转子绕组中的直流电流或者由永磁体产生，为产生恒 定力矩，定子电流必须与转子角度和旋转频率保持同步。在感应式电机中，转子磁场由定子通过变压器效应在转子中产生的感应电流形成，因此，定子和转子磁场的 频率可自行同步。感应式电机静止时，与转子线圈耦合的磁通与定子磁场同频，因而转子电流也与定子电流同频；感应式电机转动时，转子磁通的耦合频率是定子频 率与转子旋转频率的差值，即所谓的滑差频率，如果电机以定子频率旋转，则转子磁通恒定，无法感生转子电流，因而力矩输出为零。感应式电机总是以略低于定子 频率的某种转速运行，如果负载增加，则转速下降，滑差频率升高，从而感生出更大的转子电流以产生更高的力矩。

 感应式电机广泛应用于工业和家用电器等领域，尤其是在需要固定速度的场合。感应式电机的重要优势在于可直接接入交流电网并启动运行。反之，同步电机在接入 交流电网之前，其开环输出电压的幅值和频率必须与电网充分匹配。大型同步电机正普遍应用于发电领域，而且同一公共电网中会接入多台发电机。

 在变频应用中，为驱动系统选择电机是非显性的。感应式电机的逆变驱动广泛采用开环电压/频率的速度控制方案。如果采用速度传感器，也有可能实现感应式电机 的闭环控制，即通过改变电机的滑差频率以控制电机产生的力矩。然而，由于转子电流无法测量以及转子电路时间常数很大，因而很难实现感应式电机的高动态控 制。 与之相反，只要知道转子的角位置，就能够十分方便地实现同步电机的高动态力矩控制。

 永磁同步电机（Permanent magnet synchronous machines ，简称PMSM）在工业伺服领域已经使用了很多年。由于采用永磁转子，因而这种电机十分高效，与相同尺寸的感应式电机相比，能够提供高得多的连续力矩。然 而，需要以霍耳效应传感器或者旋转变压器等位置传感器检测其轴角位置，这种对转子角位置传感器的需求曾使其应用仅仅局限于高端工业驱动领域，但是近些年发 展起来的“无传感器”控制算法已使其在家电领域的应用不断增加。

 压缩机速度控制是永磁同步电机进入家电领域的最初应用之一。用于空调和冰箱的传统压缩机采用依靠电网频率运行于固定速度的感应式电机，压缩机尺寸必须满足 开机后的最大负载状况，但是在正常运行中，要维持设定温度，压缩机就得以相当低的占空比循环断续工作。然而，采用压缩机速度控制后，就可以为正常运行选取 最有效的工作速度。仅采用速度控制这一项就可以使功效提高30%以上，另外，由于永磁电机具备更高的效率，因而还能额外提高15%功效。如今，在关注能源 成本的区域市场，如日本等，几乎90%的空调和超过50%的家用冰箱都已采用压缩机速度控制。

 最初的无传感器控制器采用六拍换相相序驱动电机绕组，并通过监测开路绕组的反电势估计转子位置。该方法可以提供高鲁棒性的速度控制，但是无法提供平滑的电 机力矩。其首要原因是：采用六拍换相相序时，要产生恒定力矩，电机就必须具备梯形反电势波形，而不是通常的正弦波形；其次，更大的问题在于换相过程中电流 切换至后续绕组时所引入的力矩波动。由于电机反电势会加速退出相的电流衰减，并妨碍进入相的电流上升，因而运行速度越高，问题也变得越糟。电机力矩波动的 高阶谐波成分容易引起系统的机械共振，会在风机、洗衣机、水泵和空调中产生音频噪声。然而，这种控制器十分简单，便于实现，所以仍旧在不需要平滑力矩控制 的场合中有所采用。

 由于采用基于DSP和RISC的低成本控制器能够实现更为复杂的控制算法，因而另一种可选的无传感器控制方案近年来变得流行起来。“最新无传感器”控制允 许以正弦电压和电流波形驱动永磁同步电机，并以电机电流的测量值为基础估计转子位置，该算法可以有效地提供恒定力矩，且没有前面提到的六拍控制器所带有的 音频噪声问题。另外，该算法可以由新型控制器硬件结构实现，并且无需任何软件编码就能有效地实现复杂控制。专用集成设计平台的核心是最新的无传感器控制 器，以围绕控制和功率电子元件的附加集成功能等难题为重点，伴随兼容芯片设计，可以完成该平台设计方法，其重点包括可以为数字控制芯片和功率级之间提供必 要连接的三相逆变器驱动芯片和高压电流传感芯片。