洗碗機水泵無傳感器PMSM驅(qū)動設計

1、    洗碗機水泵無傳感器PMSM驅(qū)動設計摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關鍵詞：Butte目前很多洗碗機水泵的驅(qū)動部分使用了三相永磁同步電動機(PMSM)。PMSM要求智能

2、驅(qū)動系統(tǒng)，其中所包含的微控制器用來解析轉(zhuǎn)子位置并實現(xiàn)控制環(huán)路，從而驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。 新型的由微處理器控制的洗碗機在節(jié)水節(jié)電的同時，能夠更加靜音。由于PMSM中沒有換向器(即電刷)，因此電機控制技術必須基于對轉(zhuǎn)子位置的了解。該位置必須是可測量或可估計的。測量轉(zhuǎn)子位置要求在電機軸上安裝光編碼器(傳感器)等設備，而這樣做會大幅增加系統(tǒng)成本。如果可以用一個有效的方法估算轉(zhuǎn)子位置，那么就可以不使用傳感器。根據(jù)電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)(零速度、低速、高速等)的不同，用來估算轉(zhuǎn)子位置的方法有很多種。電機高速運轉(zhuǎn)時，可以利用觀測儀就低角誤差、動態(tài)性能、錯誤過濾等方面獲得良好結(jié)果。本文描述的解決方案使用的是“反電勢觀測儀”，

3、它基于電機的數(shù)學模型。用來驅(qū)動PMSM的高性能技術基于磁場定向控制(FOC)，有時簡稱為“矢量控制”。這種方法的目的，是無論機械負載轉(zhuǎn)矩變化和其他干擾如何，都能夠以精確追蹤命令軌跡的方式獨立控制氣隙中的電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈，并實現(xiàn)盡可能快的瞬時響應。FOC方法加上估算轉(zhuǎn)子位置的反電勢觀測器，是驅(qū)動基于 PMSM洗碗機水泵的理想解決方案。洗碗機水泵家電制造商最近已經(jīng)開始使用PMSM來驅(qū)動洗碗機水泵，典型參數(shù)包括： 230V的線路電壓(歐洲) 6或8個磁極 80W額定功率 在d、q軸下定子相位等效電感Ld與Lq的關系為-Ld=Lq洗碗機水泵控制算法在閉合的電流和速度環(huán)路中運行。洗碗機內(nèi)的水壓用液壓系統(tǒng)(

4、水管、噴水器等)的物理設計來表示，可以通過變換水泵的速度進行控制。典型的洗碗機水泵運行特性包括103kPa(15psi)至827kPa(120psi)的水壓范圍和1,500rpm至3,500rpm 的機械泵速度。PMSM電機控制方法驅(qū)動PMSM的比較適合的控制方法有數(shù)個。根據(jù)應用性能和成本要求，本節(jié)描述的矢量控制方法(也稱為FOC)比較適當。FOC控制方法的基本原理如圖1中所述。 圖1：FOC控制方法原理矢量控制方法通過Clarke和Park變換，將定子電流空間矢量分解為產(chǎn)生磁場和轉(zhuǎn)矩的電流分量。一旦分解，氣隙磁鏈(d軸)和電磁轉(zhuǎn)矩(q軸)可以獨立進行控制。這種方法能夠以類似于他勵直

5、流電機的方式控制PMSM。矢量控制方法的必要信息包括轉(zhuǎn)子的位置和速度，以及電機磁化磁鏈的位置。傳統(tǒng)運動控制系統(tǒng)使用解析器或編碼器。這樣，監(jiān)控轉(zhuǎn)子所需的傳感器、配線和連接器就增加了系統(tǒng)成本，降低了可靠性。對于成本敏感型應用，必須以其他方式獲取轉(zhuǎn)子位置。不采用位置傳感器的算法稱為“無傳感器控制”方法。圖2中的框圖顯示了實施的無傳感器矢量控制算法。位置和速度采用反電勢觀測儀及追蹤觀測儀進行估算，如圖所示。 圖2：PMSM矢量控制算法框圖PMSM 電機的數(shù)學模型電機是一個動態(tài)系統(tǒng)，因此我們用一組微分方程式對其進行描述。alpha/beta靜止參照系中的定子電壓方程式可表達如下：隱極電機的定子

6、磁鏈可以表述為：這樣，電機的電磁轉(zhuǎn)矩就是：其中pp為電機極對數(shù)量。該數(shù)學模型描述了該洗碗機水泵應用中使用到的PMSM 的行為，因此它可用于反電勢觀測儀。轉(zhuǎn)子位置和速度估算一般來說，“estimator”是一個估算狀態(tài)變量的動態(tài)系統(tǒng)。estimator實施從根本上說有兩種形式：開環(huán)和閉環(huán)。在閉環(huán)estimator情況中，估算值和實際狀態(tài)變量之間的誤差作為校正項，調(diào)整響應。閉環(huán)estimator也稱為觀測儀。反電勢觀測儀基于對電動勢的估算。反電勢模型包括來自傳統(tǒng)反電勢(轉(zhuǎn)子磁鐵)的感應電壓和來自定子電感的感應電壓。這讓我們能夠通過對反電勢的估算來估計轉(zhuǎn)子位置。這種方法在低速時有一定的局限性，因為反電勢信號非常弱，幾乎為零，而且觀測儀發(fā)散。當達到有效估算所需的最低運算速度時，反電勢觀測儀估算轉(zhuǎn)子位置，可將其作為矢量控制算法的反饋信號。正確的觀測儀運算的最低運算速度(電壓)閾值取決于電機構(gòu)造，必須根據(jù)電機參數(shù)計算或直接在電機上進行測試。觀測儀算法處理從PMSM 數(shù)學模型中得到以