引言
在家用電器、供暖、通風、空調(diào))和汽車應用中,DC無刷電機及其驅(qū)動器的使用率越來越高。造成這種現(xiàn)象的原因是其所擁有的高效、可靠、緊湊、低維護等級以及低噪聲等優(yōu)點,而這些都將轉(zhuǎn)化為成本的節(jié)省。
家用電器常常運用傳統(tǒng)技術(shù),比如帶有起動電容的AC磁阻單相電機和通用式電機。所有這些解決方案采用AC供電方式,工作速度都是恒定不變的,而且并未關注效率。
如今,客戶所提出的要求越來越多,他們渴望擁有改良型功率分配方案、更加優(yōu)越的性能以及更低的噪聲電平:傳統(tǒng)技術(shù)的局限性正日益凸顯出來。
同時,市場競爭對能量-效率比提出了新的更高要求,用戶在挑選家用電器時,除了產(chǎn)品的價格之外,還會對其能耗等級和噪聲電平等特征加以比較。
圖1 永磁轉(zhuǎn)子和定子
基本原理
無刷DC電機的工作原理非常簡單。這種電機基于一個裝有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子和一個安裝了三個相距120°的繞組的定子。三相逆變器按正確的順序來驅(qū)動繞組,并生成一個用于對轉(zhuǎn)子進行“磁推動”旋轉(zhuǎn)磁場。逆變器根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置在繞組的6個不同的時間段里發(fā)生極化。轉(zhuǎn)子的位置可采用位置傳感器或機械式開關以不同的方式讀出,也可以采用由轉(zhuǎn)子位置所產(chǎn)生的磁場來估計。后一種方法被稱為“反向EMF”。
顯然,虛擬傳感器具有多項優(yōu)點,即:免除了相關的費用,而且,與霍爾效應傳感器截然不同是,它不會破損。這就意味著可靠性和效率的提高以及重量和體積的減小。
但是,這種無傳感器型解決方案需要進行更加復雜的處理,以精確估測 轉(zhuǎn)子的位置,或?qū)@組的6個起動相位進行正確的驅(qū)動。
在每一轉(zhuǎn)的6相中,每次只對兩個繞組進行供電。第三個繞組(也是唯一未被施加偏壓的繞組)正是允許讀出由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電壓以及其位置的繞組。
控制完全依賴于使定子的驅(qū)動相位與讀出操作之間保持一個規(guī)定的恒定距離(用角度來表示)。
事實上,控制本身并沒有任何特殊的要求,但是設計師不得不面對源自高電流的噪聲問題。因此,必須對反向EMF讀出電平進行補償和濾波處理,以降低噪聲電平??傊刂葡到y(tǒng)的效率依存于準確獲知轉(zhuǎn)子位置以及正確驅(qū)動繞組相位的能力。但是濾波器增加了一個取決于信號頻率和轉(zhuǎn)速的固有相移。
在濾波過程中,如果產(chǎn)生了一個與速度有關的相位誤差(隨后是一個非恒定誤差),那么在啟動條件下將遭遇失敗。也就是說,將無法獲悉轉(zhuǎn)子的確切位置。
為了解決這一問題,可以采用針對不同轉(zhuǎn)速的相應濾波器,從而優(yōu)化相位誤差校正。通常,該解決方案需要巨大的處理能力,而這種處理能力只能由DSP或基于分立元件的可配置濾波器來提供。但是,這些濾波器需要使用大量的外部元件。
PSoC
為此,賽普拉斯推出的創(chuàng)新方案,并非基于傳統(tǒng)型微控制器,而是一款先進的可編程系統(tǒng)級芯片—PSoC(見圖1),通過PSoC嵌入式基本組件、運算放大器和開關電容器,可以構(gòu)建所有必需的外設。用戶可根據(jù)自己的需要來選擇低通濾波器拓撲結(jié)構(gòu)如Butterworth、Bessel和Chebechev,這些濾波器的特點各不相同。
對于本文所討論的應用,低通Bessel濾波器提供了一個與交換值頻率成比例的相移:這使得對相移的影響盡可能地小,而它是與濾波信號關聯(lián)度最高的特性。
由于本文所涉及的應用的主要的目標是獲知轉(zhuǎn)子的位置。因此PSoC的第二個特性相當重要。低通Bessel濾波器的相移取決于信號的頻率,并在逐漸接近濾波器本身的交叉頻率時發(fā)生變化。在PSoC中,濾波器基于開關電容,因此,濾波器特性(主要是相移)可在濾波器的交叉頻率發(fā)生變化時保持恒定。這種解決方案是采用標準分立元件所無法實現(xiàn)的,而如果采用PSoC,這就轉(zhuǎn)化成了濾波器模擬塊上的一個簡單的開關頻率漂移。顯然,如果用戶把該頻率漂移與通過給定子相位供電來驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)磁場的頻率聯(lián)系起來,就能夠成功地解決這個問題:對反向EMF信號的讀出電平進行濾波,而且,濾波器的交叉頻率是隨著轉(zhuǎn)速而線性移動的,因此由于對于所有的速度,濾波操作的相移都是恒定的。
PSoC架構(gòu)的固有靈活性再次使得能夠?qū)Υ藛栴}進行詳細的分析,從而造就了一種理想的解決方案。該解決方案可在任何架構(gòu)約束條件下得以實現(xiàn)。