高成本效益的AC感应电机转差控制优化方案

2010-06-29 20:56:03来源: Actel公司 关键字:FPGA  AC感应电机

  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。

高成本效益的AC感应电机转差控制优化方案

  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。

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关键字:FPGA  AC感应电机

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2010/0629/article_1213.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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