通過在電器設(shè)計中使用DSC 可以實現(xiàn)高效的無傳感器FOC算法

對于大多數(shù)家用電器制造商，提高電器效率和降低可聞噪聲是最優(yōu)先考慮的事項。通常，政府通過嚴(yán)格的法規(guī)來推動對效率的要求。然后，有一些消費(fèi)者會愿意引領(lǐng)潮流，以相對較高的價格購買“更綠色”的電器。這驅(qū)使電器制造商研究相應(yīng)的解決方案，解決效率和可聞噪聲方面的問題，同時讓增加的整體系統(tǒng)成本保持最低。例如，電器制造商希望設(shè)計出可以快速響應(yīng)速度變化（包括洗滌和甩干兩個過程）的洗衣機(jī)。一些高級電機(jī)控制技術(shù)，如磁場定向控制（FOC），也稱為矢量控制，有助于設(shè)計出更加安靜節(jié)能的洗衣機(jī)。

洗衣機(jī)控制拓?fù)?/p>

本文主要關(guān)注如何部署FOC來設(shè)計高效、安靜的洗衣機(jī)。通過分析洗衣機(jī)的構(gòu)造，可以了解為什么需要高效的電機(jī)控制技術(shù)。如圖1所示，最新型的洗衣機(jī)帶有一個滾筒單元，該結(jié)構(gòu)由BLDC電機(jī)或PMSM電機(jī)、電機(jī)控制器電路板、帶按鍵用戶界面電路板和顯示單元組成?？刂破麟娐钒搴陀脩艚缑骐娐钒蹇梢允褂么墟溌罚ㄈ?u>UART、SPI或?qū)Ｓ写袇f(xié)議）進(jìn)行通信，用以設(shè)置所需的洗滌負(fù)載、漂洗速度，以及處理其他命令。根據(jù)所接收到的命令，電機(jī)控制器電路板會調(diào)整電機(jī)速度和扭矩。電機(jī)是洗衣機(jī)中最主要的用電部件，用電量可達(dá)總用電量的85%。因此，對于PMSM控制的任何改進(jìn)，都可以顯著節(jié)省用電和成本。為此，高效的電機(jī)控制對于設(shè)計更好的電器非常關(guān)鍵。

圖1新型洗衣機(jī)的構(gòu)造

新型信號控制器促進(jìn)電器設(shè)計

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)字信號控制器（DSC）和功率電子開關(guān)的產(chǎn)生，它們可以用于設(shè)計變速電機(jī)。實際上，得益于DSC高效而高成本效益的電機(jī)功率管理，電器不再需要局限于使用一些定制的硬件和控制技術(shù)。例如，借助Microchip最新一代的dsPIC DSC系列，電器制造商現(xiàn)在可以設(shè)計出顯著節(jié)省用電和成本的電機(jī)系統(tǒng)。這是因為dsPIC DSC上包含專用于電機(jī)控制應(yīng)用的外設(shè)。這些外設(shè)包括電機(jī)控制脈寬調(diào)制（MCPWM）、高速ADC和可擴(kuò)展閃存程序存儲器。

此外，dsPIC DSC的DSP引擎還支持必需的快速數(shù)學(xué)運(yùn)算，用于執(zhí)行需要大量計算的控制循環(huán)。本文將討論如何通過dsPIC DSC使用FOC算法來控制洗衣機(jī)中的電機(jī)。在洗衣機(jī)中，dsPIC DSC用作電機(jī)控制電路板上的信號控制器。用戶界面模塊可以采用8位單片機(jī)（MCU）進(jìn)行處理，如Microchip的PIC16或PIC18系列MCU，可以針對三相感應(yīng)電機(jī)（ACIM）、三相無刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）分別實現(xiàn)FOC算法。由于構(gòu)造方面的原因，PMSM電機(jī)的效率比ACIM電機(jī)高。以下將特別討論無傳感器FOC算法對于洗衣機(jī)中的PMSM電機(jī)是如何工作的。

為什么使用FOC算法？傳統(tǒng)的BLDC電機(jī)控制方法以六步方式驅(qū)動定子，會導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩。在六步控制方式中，先對兩個繞組通電，直到轉(zhuǎn)子到達(dá)下一個位置，然后電機(jī)換向到下一步?；魻杺鞲衅饔糜诖_定轉(zhuǎn)子位置，以便對電機(jī)進(jìn)行電子換向。高級無傳感器FOC算法使用定子繞組中產(chǎn)生的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子位置。六步控制（也稱為梯形控制）的動態(tài)響應(yīng)本身就不適合用于洗衣機(jī)控制，因為一個洗滌周期中的負(fù)載會動態(tài)變化，并且實際負(fù)載還會因洗滌量和所選洗滌周期的不同而變化。此外，在前開式洗衣機(jī)中，當(dāng)負(fù)載位于滾筒頂側(cè)時，電機(jī)負(fù)載要克服重力做功。只有高級算法（如FOC）可以處理這些動態(tài)負(fù)載變化。

FOC原理

FOC算法會產(chǎn)生矢量形式的3相電壓，用于控制三相定子電流。通過使用Park和Clarke變換將物理電流變換為旋轉(zhuǎn)矢量，轉(zhuǎn)矩和磁通分量不會隨時間變化（時間不變性）——使得可以與直流電機(jī)一樣，使用諸如比例積分（PI）控制器之類的傳統(tǒng)技術(shù)來進(jìn)行控制。根據(jù)設(shè)計，在有刷直流電機(jī)中，定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通之間的角度保持為90°，從而使電機(jī)產(chǎn)生可能的最大轉(zhuǎn)矩。通過使用FOC技術(shù)，電機(jī)電流變換為2軸矢量，就如直流電機(jī)中的電流。此過程的第一步是測量三相電機(jī)電流。在實際測量中，由于3個電流值的瞬時和為0，所以只需測量其中兩個電流，就可以確定第三個電流的值。此外，由于只需要兩個電流傳感器，因此還可以降低硬件成本。

Clarke變換

第一個變換稱為Clarke變換，將以定子作為參照物的3軸二維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為2軸坐標(biāo)系，并保持相同的參照物。如圖2所示，其中，Ia、Ib和Ic是各個相電流。

圖2 Clarke變換

此時，定子電流相量可以在使用α-β軸的2軸正交坐標(biāo)系上表示。下一步是變換為另一個2軸坐標(biāo)系，稱為d-q軸坐標(biāo)系，它會隨轉(zhuǎn)子磁通而旋轉(zhuǎn)，通過圖3所示的Park變換實現(xiàn)。

圖3 Park變換

當(dāng)正弦輸入電流施加到定子上時，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通。轉(zhuǎn)子的速度與旋轉(zhuǎn)磁通矢量直接相關(guān)。磁通矢量必須始終與轉(zhuǎn)子磁極保持對齊，以使電機(jī)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩。

圖4給出了整個過程的圖示，包括坐標(biāo)變換、PI迭代、逆變換和產(chǎn)生PWM，還描述了FOC控制所需的功能。誤差信號根據(jù)Id、Iq和各自的參考值而產(chǎn)生。Id參考電流控制轉(zhuǎn)子磁通。請記住，只有在負(fù)載穩(wěn)定的條件下，Id和Iq（代表轉(zhuǎn)矩和磁通）才具有時間不變性。Iq參考電流控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。PI控制器的輸出提供Vd和Vq，它們構(gòu)成發(fā)送到電機(jī)的電壓矢量。新的變換角根據(jù)由Park逆變換產(chǎn)生的電壓和由Park變換產(chǎn)生的電流進(jìn)行估計。

圖4 采用無傳感器FOC算法控制的直接驅(qū)動洗衣機(jī)PMSM電機(jī)的應(yīng)用框圖

FOC算法使用新的變換角來確定下一個電壓矢量的位置。通過使用新的變換角，PI控制器的Vd和Vq輸出值被旋轉(zhuǎn)變換到靜止參考坐標(biāo)系。該計算產(chǎn)生正交電壓值vα和vβ。下一步，對vα和vβ值進(jìn)行逆變換，得到三相值va、vb和vc。三相電壓值用于計算新的PWM占空比值，產(chǎn)生所需的電壓矢量。

在FOC算法中，三相分離的PWM信號使用空間矢量調(diào)制（SVM）進(jìn)行正弦波調(diào)制，并施加到電機(jī)的三相繞組。通過使用分流電阻，可以監(jiān)視每個繞組中的電流，并將電流與基于電機(jī)特性的電氣模型進(jìn)行比較。電機(jī)供應(yīng)商會提供電機(jī)的繞組特性，雖然它們也可以使用繞組的電感和電阻值進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)子位置通過基于電機(jī)模型間接測量反電動勢（EMF）來計算。通過推導(dǎo)等于測量電流的估算電流，可以基于電機(jī)模型計算得到反電動勢。

采用FOC方法可以為PMSM電機(jī)功率管理帶來許多好處。例如，F(xiàn)OC可以改善PMSM電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)，為諸如洗衣機(jī)之類需要快速響應(yīng)速度變化（洗滌和甩干過程中）的電器帶來好處。FOC支持以較低的電流產(chǎn)生最佳的轉(zhuǎn)矩，因為它可以控制電流的幅值和相位，并使定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的角度保持90°。此外，由于FOC支持在每個PWM周期中控制電機(jī)電流，所以可以從根本上限制電流。

數(shù)字信號控制器讓電機(jī)控制變得簡單

dsPIC等先進(jìn)的DSC使電器設(shè)計師可以改善電機(jī)系統(tǒng)。若采用無傳感器FOC算法，DSC將非常適合于控制PMSM電機(jī)。這是因為dsPIC DSC及其片上外設(shè)可以高效地執(zhí)行FOC算法，實現(xiàn)在PMSM電機(jī)中檢測轉(zhuǎn)子位置的無傳感器方法。dsPIC DSC快速而靈活的ADC支持電流檢測，并提供了一些很有用的觸發(fā)選項。例如，可以通過PWM模塊觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，從而支持低成本的電流檢測電路：在特定的時間，開關(guān)晶體管允許電流流過檢測電阻，由檢測電阻對輸入電流進(jìn)行檢測。關(guān)鍵的是，dsPIC DSC的ADC具有同時捕捉多個信號的能力。通過這種功能，可以消除電機(jī)電流測量中，兩個相電流采樣之間的延時。

DSC的電機(jī)控制算法基于FOC算法來確定PWM占空比和輸出模式。PWM最重要的功能是帶可編程死區(qū)的互補(bǔ)通道。PWM可以采用邊沿對齊或中間對齊。中間對齊PWM的優(yōu)點(diǎn)是可以降低電器控制系統(tǒng)發(fā)射的電磁噪聲（EMI）。

dsPIC DSC系列的所有器件均提供了故障和診斷接口，它們包含一些輸入線，可以在系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時關(guān)閉PWM。例如，如果洗衣機(jī)的攪拌器由于滾筒中衣物纏繞而受阻，應(yīng)阻止電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，否則衣物可能會被撕裂。這種阻塞會表現(xiàn)為電機(jī)控制系統(tǒng)的過電流現(xiàn)象而被檢測到，并通過使用故障引腳關(guān)閉電機(jī)進(jìn)行響應(yīng)。通過添加診斷功能，可以記錄和/或顯示這些類型的故障，或者將它們傳送到計算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的故障排除。這是非常重要的功能，因為它可以幫助防止硬性故障和縮短產(chǎn)品停機(jī)時間。

洗衣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

基于前面概述的FOC電機(jī)控制概念，現(xiàn)在可以討論基于dsPIC DSC的洗衣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計。圖5給出了電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖?？梢酝ㄟ^以下方式設(shè)計用于電器的可變電源：首先，使用單相二極管橋式整流器將交流電源轉(zhuǎn)換為直流。電壓紋波使用一組電容濾除。該直流電壓經(jīng)過逆變，轉(zhuǎn)換為具有可變頻率的可變電壓，并送到電機(jī)電源線。通過使用PWM技術(shù)，直流母線被調(diào)制為從逆變橋輸出正弦電壓。

圖5 基于dsPIC DSC的洗衣機(jī)的系統(tǒng)框圖

輸入轉(zhuǎn)換器部分中的整流橋將來自墻式電源插座的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。根據(jù)電器的類型，可能還會有EMI抑制模塊。通常，使用NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻來防止涌入電流。高壓尖峰使用金屬氧化物變阻器（MOV）進(jìn)行抑制。在二極管整流橋的輸出端，使用一組電容來濾除直流紋波。

此外，輸入轉(zhuǎn)換器部分還具有有源PFC（功率因數(shù)校正）模塊，使電路能符合一些歐洲能源法規(guī)。該有源PFC模塊由一個電感、一個功率開關(guān)和一個二極管組成。DSC的ADC用于測量來自直流母線的電流和電壓值。基于這些輸入，DSC使用PWM模塊來控制功率開關(guān)。實現(xiàn)方法是在DSC中執(zhí)行PID循環(huán)，使PF值保持接近于1。

輸出逆變器部分具有一個電壓源逆變器，每個相位對應(yīng)有兩個功率開關(guān)，每個開關(guān)的兩端均連接有續(xù)流二極管。電機(jī)繞組連接到開關(guān)的中間位置。來自“輸入轉(zhuǎn)換器模塊”的直流電壓使用該輸出逆變器進(jìn)行合成，獲得用于控制電機(jī)的變壓變頻電源。

DSC與洗衣機(jī)的接口

通過訪問DSC的專用片上外設(shè)，可以簡便地實現(xiàn)控制算法。圖6給出了基于dsPIC DSC控制器的洗衣機(jī)接口示例。DSC的ADC通道可以用于測量電機(jī)電流、電機(jī)溫度和散熱器溫度（連接到功率開關(guān)）。根據(jù)應(yīng)用的需求，還可以使用其他ADC通道來測量溫度或電流。

圖6 在洗衣機(jī)中用作系統(tǒng)控制器的DSC

通用I/O用于接口開關(guān)和LCD或LED顯示。在一些應(yīng)用中，系統(tǒng)可以使用單個控制器來同時處理電機(jī)和系統(tǒng)控制。此外，還可以使用dsPIC DSC上的串行端口進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，以及診斷系統(tǒng)中的任意故障。

保護(hù)電器IP

在當(dāng)今的全球化設(shè)計環(huán)境中，可能會有多個設(shè)計團(tuán)隊分布在多個設(shè)計地點(diǎn)，共同協(xié)作設(shè)計一系列電器。例如，用于洗衣機(jī)控制的FOC可能在地點(diǎn)A開發(fā)；面板設(shè)計和電子設(shè)計可能在地點(diǎn)B進(jìn)行；而在地點(diǎn)C，系統(tǒng)集成商對電器進(jìn)行最終的組裝和測試。所有這些設(shè)計團(tuán)隊將具有自己唯一的IP，并希望自己的IP可以受到保護(hù)。由于預(yù)期到這種需求，dsPIC DSC系列提供了CodeGuard安全功能，它支持在需要進(jìn)行協(xié)作設(shè)計的環(huán)境中保護(hù)IP。

結(jié)論

通過在電器設(shè)計中使用DSC，可以實現(xiàn)高效的無傳感器FOC算法。通過采用FOC，在PMSM電機(jī)應(yīng)用中，可以實現(xiàn)高達(dá)95%的高效率。此外，由于FOC可以協(xié)助控制定子電流，從而極大地減少了轉(zhuǎn)矩紋波，所以可以設(shè)計出更安靜的洗衣機(jī)。這可以幫助節(jié)省用電，響應(yīng)動態(tài)負(fù)載變化，同時降低可聞噪聲。