高成本效益的AC感应电机转差控制优化方案

随着AC感应电机成为工业电机的首选，全方位降低设计功耗的需求不断涌现，因此提高这些电机的效率变得非常重要。在AC感应电机中，获得所需转矩和效率性能的关键在于转差控制机制的优化。为了实现转差优化，带有高集成度控制逻辑的紧密控制回路是必不可少的。

大部分电流解决方案都是基于处理器的，这些处理器运行相当复杂的软件程序以实现高效运作。在基于软件的系统中，处理器带宽和计算时间大大限制了响应能力，因而也限制了这些解决方案的功效。若采用功能较强大的处理器来实现，虽能够加快处理速度，提高功效，但却又会产生额外的成本。

直接在 FPGA 逻辑门中实现控制算法是一种高成本效益的替代方案，I/O响应的速度更快。设计人员可以获取设计所需的知识产权(IP)，而且采用可重编程FPGA，系统可以随技术的改进而升级。不过，外部处理器和闪存查找表 (LUT) 仍然是两大性能瓶颈。

高集成度混合信号FPGA带有嵌入式非易失性存储器和软或硬处理器内核，为紧密控制回路和加快转差控制处理提供了理想的解决方案，从而提高了AC感应电机的效率。由于所有的处理能力、LUT以及直接控制算法均集成在单个可重编程芯片中，因此这种解决方案较传统解决方案更精确、更高效，而成本也更低。

AC感应电机的基本原理

在AC感应电机中，笼条 (cage) 或静态部件 (定子, stator ) 上的三相电能通过电磁感应被转换为旋转部件 (转子, rotor) 上的机械能。转子是没有直接供电的，转子上的电流由定子产生的旋转磁场所感应，产生一个磁场，并与定子产生的旋转磁场相互作用，从而导致转子转动。所谓的转差 (slip)，就是转子转动的速度与定子产生的旋转磁场旋转的速度之间的比值。

当转子的转动速度几乎达到定子的磁场旋转速度时，感应电机的效率最高，这时的转差接近零。不过，在负载较大的情况下，为提高转矩，最好选择较大的转差，如图1所示。最优化转差控制采用了多种算法，以便及时在最高效率或最大转矩之间找到最佳平衡点。图1给出了效率/转差曲线及转矩/转差曲线。


               
转差计算

三相AC电机是针对AC电源工作而设计的，具有固定的电压和频率。电机的电源频率和磁极数目决定了AC电机的同步速度 (旋转磁场的速度)。

如果感应电机的电源频率为

f = p*n/2

这里f是电源频率，P是磁极对数，n是旋转磁场的速度，那么感应电机的旋转磁场速度便是：

n = 2f/p revs/second or n = 120f/p revs/ minute

而转子速度为：

r = n(1-S)

这里 “S” 就是转差。转差是一个比值，没有单位。

转差S = n-r/n

转差频率为电源频率，用以维持所需转差值。

例如，一个由 60 MHz AC 线供电的四极电机的同步速度为120*60/4=1800rpm。然而，电机的负载水平不可能是固定不变的，负载决定电机的转差和电机轴的实际速度。其中，转差对电机转矩及工作的影响相当大。在控制算法中，转差控制是决定电机效率及性能的关键因素。

在AC电机控制中，高效转差控制方法的选择极为重要，对于需要重负载运作的工业自动化应用来说尤其如此。  

AC感应电机控制算法

目前有两种基本的AC电机控制算法：速度控制和转矩控制。转差控制算法用于转矩控制，通过控制相电流和转差频率两个方面(图2)来实现。这种算法利用PWM对电压进行调节，以维持所需的转差频率。为了提供最佳的转差控制性能，电机的电流和速度反馈提示软件对变化的条件进行补偿。而检测采样速度和计算瓶颈会减弱对速度及电流变化的响应，因此限制系统的响应能力和效率。



我们把所需转矩值馈入到所示的实例系统中。当转差频率固定时，可通过增大电流来提高转矩。同样地，当电流恒定时，增加转差频率便可提高转矩。为了基于所需转矩提供适当的电压响应，系统会执行电流和转差 LUT，向每一电流或转差检测值提供固定数值响应。

转矩/转差曲线由电机本身决定。因此，需要针对电机定制转差 LUT。转差控制算法不难实现，但生成转差表就不那么简单了，而其困难在于确定给定电流的转差值。由于电机并非在转矩最大时效率最高，因而它会试图选择低转差频率以获得最大电机效率。然而，鉴于控制器的功耗与电流相关，故偏向每安培最大转矩可能更有益。无论哪种情况下，转矩曲线都应该针对应用量身定做。

在LUT表中，转矩/转差曲线各参数的用户专用程度和电机依赖程度都相当高。该表通常在用于微控制器存取的闪存中执行。本地总线带宽、闪存查找时间和微控制器的速度确定了系统的性能。