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电器设计中的电机控制趋势

许多家用电器都包括一个或多个对其功能至关重要的电机。在不断提高市场份额的斗争中，新产品设计力求使其产品在竞争中脱颖而出。本文将探讨五个主要趋势，这些趋势塑造了电器电机控制的未来，电器电机控制适用于从HVAC系统到食品加工的所有领域。

能效

最大限度地降低电机和压缩机的功耗仍然是电器设计的大趋势之一。在很大程度上，美国环境保护局（EPA）家用电器能源之星计划推动着这一进程。这项计划会对产品进行评级并提供相应的标签，显示运行该设备所需的全年电量（kWh）。更高效的产品将获得能源之星评级，而这是许多消费者眼中的必备家电属性。许多其他国家/地区的政府提供类似的评级系统。

低端设备通常使用交流感应电机（ACIM）。使用变频驱动器（VFD）可以相对简单地控制这些电机。在这种技术中，三相正弦波形为电动机的绕组供电。电机的控制通过改变脉宽调制（PWM）占空比来实现，PWM占空比通过其变化率来设置电压和频率。

对于VFD，只要负载不变，即可通过使电压与频率之比保持恒定来提供恒定的转矩。遗憾的是，装备有VFD的ACIM对变化的负载或速度请求的反应缓慢，这降低了它的效率。例如，洗衣机通常使用ACIM，并且ACIM对可变负载的变化反应不佳。当湿衣服在滚筒内翻转，或者在搅拌期间滚筒旋转发生变化时，就会发生这种情况。

提高效率的最直接方法是改变运行设备的电机类型。高端设备已经开始采用一种新型电机，称为永磁同步电机（PMSM）。由于设计原因，这种电机提供了更好的控制，但制造成本也更高。

PMSM的效率更高，因为它们在转子中使用永磁体，而感应电机转子使用的绕线线圈需要额外的能量来维持磁场。PMSM设计的优点是可以使用一种称为磁场定向控制（FOC）的改进控制算法，这种算法可以在更宽的负载或速度范围内非常精确地控制电机使用的能量。使用数字信号控制器（DSC）来控制PMSM（例如Microchip的dsPIC33EV系列），可以帮助提高这些电机的能效并实现无噪声运行。

此外，使用具有FOC的PMSM可以节省大量能源。例如，冰箱的压缩机是一种专门设计的电机，通过将控制范围扩展到非常低的速度（如800 rpm），在冷却系统中泵送冷却液。因此，使用的功率降低了约30%。这可以显著提高设备的能源星级。其他研究表明，PMSM在将电能转换成转矩方面可以达到90%的效率。

更高速

反过来看，诸如电钻、HVAC和排气扇等电器需要非常高的速度。磁场削弱（也称磁通削弱）是一种控制技术，能够以快于FOC技术的速度旋转电机。为此，转子磁体之后遇到的定子绕组中的电压场以抵消转子磁体中某些磁场（称为磁通）的方式进行充电。当转子的磁铁与绕组对齐时，这会降低电机转动的阻力效果。这种阻力称为反向电磁力（BEMF）。通过磁场削弱降低BEMF，可以将电机的最高速度从25%提高到100%，只要该时间点所需的转矩较低即可。由于大多数电器在较高运转速度下不需要满载转矩，因此磁场削弱可以有效地提高它们的最高速度，从而提高运行效率。

最大程度降低噪声

电器电机控制的第三大趋势是最大程度降低噪声。您是否厌倦了厨房电器的嗡鸣声？很多人不想在家里听到电器运行的声音。静音十分重要，消费者愿意为此支付更高的费用！

图2：使用ACIM和PMSM电机的常见家用电器

电器电机噪声的产生有多种原因。电源线中电源电压的突然下降，以及负载或转矩需求的突然变化，都可能导致转子位置估计值略微偏离。此外，PWM控制信号的时序可能与转子位置不完全一致。这些情况中的任何一种都可能导致转子轻微抖动并产生可听到的噪声。

然而，造成电机噪声的主要原因是导通和关断金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或绝缘栅双极晶体管（IGBT），IGBT是一种将功率传输到电机绕组的大晶体管。每次打开或关闭这些晶体管时，绕组中电流的突然冲击会推动周围的空气（与扬声器的工作方式相同），产生可以听见的声音或咔嗒声。把这个声音乘以三倍（三个电机绕组），每秒钟重复数千次，便会产生刚好处于人类平均听力范围内（20至20 kHz）的电机嗡鸣声。

幸运的是，我们有降低噪声的解决方案。这一切都归结于成本，但两个关键的解决方案是以更高的频率切换MOSFET并拓宽PWM。12>标签：ACIM PMSM PWM