瑞萨电子核心电机控制解决方案RAMDA

引言

随着绿色环保、节能减排逐渐成为中国市场和社会的主题，政府监管力度逐年加大，对各类产品的低能耗要求也越来越严格。从剃须刀，吹风机这样的小家电，到工业自动化生产线，种类繁多的电机在各种消费类产品和工业产品中扮演着核心角色，为了达到节能环保的目标，电机控制技术变得尤为重要。针对中国市场，瑞萨在积极推广高性能、低功耗RX单片机的同时，还开发了完全自主知识产权的先进电机控制解决方案RAMDA算法，用以构建高性能、高可靠性的永磁同步电动机的驱动解决方案，帮助客户开发新一代绿色环保的新产品。

家用电器保有量巨大，总能耗也十分可观，是国家关注的重点。尤其对家用电器中的能耗大户-空调器的能效要求逐年提高，其中空调压缩机的驱动技术是提升能效的关键技术。

通过在RX单片机上结合RAMDA算法，客户可以快速开发出高性能，高可靠性的空调室外机系统。

RAMDA算法简介

• RAMDA算法是瑞萨电子提供的先进变频驱动解决方案，瑞萨电子具有完全自主知识产权。

• RAMDA算法集电机控制和单相交流电源功率因数校正技术于一体，配合RAMDA程序框架，为用户整体系统的开发提供了一个坚实的基础平台和友好的用户接口。

• RAMDA算法具备两大核心技术：用于调节电源功率因数的A-PAM功能和先进的压缩机驱动技术。而这样的算法，不增加硬件成本，相反，两大核心技术同时提供了精简的硬件需求。

• 经过长期的市场验证，得到客户的充分认可。

下图为RAMDA控制逻辑框图：

(1) 用于功率因数校正的A-PAM技术

A-PAM技术有以下优点

• 直流母线电压可变

• 变频系统综合效率可调节

基于A-PAM，用户可以精确控制直流母线电压的输出值，在保证系统综合效率的前提下，提供足够的直流母线电压。 与传统PFC相比较，A-PAM可以限制直流母线电压的输出值，PFC电路效率也比较高。

通过限制直流母线电压，客户可以选择更低耐压等级的滤波电容器，实现更低的系统成本。例如在单相220V供电系统中，传统PFC的输出直流电压一般在350[V]-390[V]，系统设计者会选择450[V]耐压的滤波电容器。采用了A-PAM技术后，可以实时的根据负载的变化把直流母线电压限制在最高340[V]±1[V],系统设计就可以选择400[V]耐压的滤波电容器，降低了系统的硬件成本。

另外，A-PAM技术不需要检测交流电压过零点或者幅值的硬件电路，进一步降低了系统成本。

(2) 先进的压缩机驱动技术

RAMDA算法提供基本的永磁同步电动机驱动功能，基于电机的基本参数(磁极数、绕组电阻、同步电感、最大磁通量、转动惯量)使电机高效稳定的运转。

而RAMDA算法与众不同之处，是其独创的力矩控制算法。

家电中普遍采用的都是单转子类型的电机，如空调压缩机等。在普通算法的驱动下，单转子结构的电机会引发系统振动。这种振动时有害的。以空调系统为例，在低转速(低于30[rps])的情况下，会形成系统共振，系统噪音提高，严重时还会造成空调系统应力集中点的损坏。在高速运转中，电动机相电流的峰值高，谐波大，高频的噪音高，并且限制了变频器的输出能力。针对这样的市场要求，RAMDA算法包含了以下两个力矩波动补偿技术：

• G-type力矩控制

在G-type力矩控制作用下，系统振动达到最低，从而保证系统在低速下平稳、正常运转，扩大了系统实际运行的低频范围。通过下图可以看出，G-type力矩控制可以在低于30[rps]时大幅降低系统振动。

• M-type力矩控制

在M-type力矩控制作用下，变频器输出恒定的力矩，电动机相电流波形峰值下降，降低了谐波与功率损耗，降低了系统噪音。下图为M-type力矩控制时的电动机相电流波形与没有力矩控制是的电动机相电流的比较。

独创的过调制技术

与A-PAM技术相配合，提高直流母线电压的利用率，过调制会带来谐波失真。为了克服这一缺陷，RAMDA算法中限制谐波失真度低于10%，通过精准的计算调制度与输出电压和直流母线电压比值之间的关系，RAMDA算法开发了独创的过调制算法。如下图所示如果不应用过调制技术，最大调制度只能到1.15。

在保证谐波失真度低于10%的情况下，应用RAMDA算法的过调制技术，调制度最大可以达到2。

弱磁控制功能

尽量避免输出电压饱和，保证在有限的直流母线电压的情况下，输出符合要求的力矩。

随着转速的不断升高，绕组中的感应电压幅值越来越高。 当直流母线电压一定时，绕组端电压的幅值有限。 这样，如果仍然根据MTPA等算法发送电压指令，绕组电压甚至低于感应电动势的电压， 这就会导致绕组中的电流不足，逆变器无法输送足够的功率给电动机。 为了解决这一个问题，有意在d-轴上增加负的电流，让绕组电压的相位超前感应电动势， 以保持输出到电动机的功率。这就是弱磁控制。 对于IPM电机来说，我们定义三种弱磁的“境界” 1)充分利用永磁扭矩和磁阻扭矩的MTPA算法。 2)直流母线电压一定条件下，保持输出扭矩恒定的“浅弱磁” 3)直流母线电压一定条件下，保持高转速和恒定输出功率的“深度弱磁”。