利用DSP智能电机控制提高能量效率
目前,工业用电的三分之二为电机所消耗,而在居民用电中这一比例亦高达四分之一,有鉴于此,电机的效率问题继续受到更大的关注。标准的电机应用完全能以更高的能量效率运行,就电能到机械能的转换而言,大多数电机的效率较低。这意味着它们浪费了大量的能量,以发热的形式散失掉,而未能变换为有用的机械能。
此外,既然一个未受控制的电机必须克服瞬态机械负载的影响,设计者除了加大电机尺寸外很难作出其它的选择,而一个尺寸过大的AC感应电机(最常用的电机类型),其效率必然更低,因为电机是在小于其设计负载的条件下工作。
提高电机的效率
这些问题可以通过智能控制来克服,智能控制可以从两个方面大大提高电机的效率。首先,智能控制采用了先进的算法来提高电机的运行性能。最常见的方法是对AC感应电机的运行进行矢量控制,可以让电机采用合理的尺寸,以实现最优的效率。此外,速度可调也使系统能以更高的效率运行。例如,一个矢量控制的可调速驱动可避免使用传动,从而减少系统机械部件带来的能量损耗。
其次,由于系统采用智能控制,就有可能将现有的电机更换为效率更高的电机。在电器中逐步采用永磁电机就是这一发展趋势的体现。
永磁同步电机从本质上来说比AC感应电机的效率更高,因为它们没有后者与感应转子电流相关的传导损耗,它们还具有更优良的机械特性,如力矩纹波更低、运行更加安静,而且在产生同样的机械功率输出时,它们的体积更小。开关磁阻电机在一个固定或者中度变速的应用中也可以表现出极高的效率,而这些应用需要DSP控制器才具备精确、复杂控制能力。
所有这些解决方案都有一个共同点：它们利用了密集的数值计算来提高系统的性能。矢量控制算法需要先对转子磁通量的方位进行测量或者预测,然后对一个多相绕组产生的定子通量位置进行优化,在给定的通量结构下产生最大的力矩。对于一台永磁电机而言,定子通量需要隔开90度(电角度),这是产生力矩的最佳方式。因为所产生的力矩直接与两个通量间夹角的正弦成正比(在AC感应电机中,由于通量磁化分量的缘故,通量间的关系更为复杂,但基本原理是相同的)。
智能控制的实现
要实现经济性的智能控制时,面对的挑战就在于涉及的算法在数学上的复杂性,这是因为大多数微控制器(MCU)不能以实时方式处理如此复杂的计算。然而新一代廉价的数字信号处理器(DSP)控制器提供了智能控制所需的计算能力,以及片上系统(SOC)集成方式和有助于简化电机控制系统设计的软件开发支持。
