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通过无传感器FOC控制提高电器电机控制的效率和成本效益 |
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作者：Padmaraja Yedamale |
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注1：本文描述的FOC技术使用Microchip的dsPIC® DSC，该技术已经在基于PMSM电机的垂直轴直接驱动洗衣机上进行了试验。理论上，在进行一些调整之后，同一FOC算法也可用于水平轴洗衣机。
对于大多数电器制造商来说，提高电器效率和降低可闻噪声是最优先考虑的事项。通常，政府通过严格的法规来推动对效率的要求。然后，有一些消费者会愿意引领潮流，以相对较高的价格购买"更绿色"的电器。这驱使电器制造商研究相应的解决方案，解决效率和可闻噪声方面的问题，同时让增加的整体系统成本保持最低。例如，电器制造商希望设计出可以快速响应速度变化（包括洗涤和甩干两个过程）的洗衣机。一些高级电机控制技术，例如磁场定向控制（Field Oriented Control，FOC）（也称为矢量控制），可以帮助设计出更加安静节能的洗衣机。
洗衣机控制拓扑
在本文中，我们主要关注如何部署FOC来设计高效、安静的洗衣机。通过分析洗衣机的构造，可以了解为什么需要高效的电机控制技术。最新型的洗衣机（见图1）带有一个滚筒单元，该结构由BLDC电机或PMSM电机、电机控制器电路板、带按键用户界面电路板和显示单元组成。控制器电路板和用户界面电路板可以使用串行链路（例如UART、SPI或专有串行协议）进行通信，用以设置所需的洗涤负载、漂洗速度，以及处理其他命令。根据所接收到的命令，电机控制器电路板会调整电机速度和扭矩。电机是洗衣机中最主要的用电部件，用电量可达总用电量的85%。因此，对于PMSM控制的任何改进，都可以显著节省用电和成本。为此，高效的电机控制对于设计更好的电器非常关键。
图1：高级电机控制算法使最新型洗衣机可以更加高效和安静
最新型信号控制器促进电器设计
半导体技术的发展促进了数字信号控制器（DSC）和功率电子开关的产生，它们可以用于设计变速电机。实际上，得益于DSC高效而高成本效益的电机功率管理，电器不再需要局限于使用一些定制的硬件和控制技术。特别是，借助Microchip最新一代的dsPIC® DSC系列，电器制造商现在可以设计出显著节省用电和成本的电机系统。这是因为Microchip dsPIC DSC上包含专用于电机控制应用的外设。这些外设包括电机控制脉宽调制（MCPWM）、高速模数转换器（ADC）和可扩展闪存程序存储器。
此外，dsPIC DSC的DSP引擎还支持必需的快速数学运算，用于执行需要大量计算的控制循环。我们将讨论如何通过dsPIC DSC使用FOC算法来控制洗衣机中的电机。在洗衣机中，dsPIC DSC用作电机控制电路板上的信号控制器。用户界面模块可以采用8位单片机（MCU）进行处理，例如Microchip的PIC16或PIC18系列MCU。可以针对3相感应电机（ACIM）、3相无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）分别实现FOC算法。由于构造方面的原因，PMSM电机的效率比ACIM电机高。以下将特别讨论无传感器FOC算法对于洗衣机中的PMSM电机如何工作。
为什么使用FOC算法？传统的BLDC电机控制方法以六步方式驱动定子，会导致输出转矩出现振荡。在六步控制方式中，先对两个绕组通电，直到转子到达下一个位置，然后电机换向到下一步。霍尔传感器用于确定转子位置，以便对电机进行电子换向。高级无传感器FOC算法使用定子绕组中产生的反电动势来确定转子位置。六步控制（也称为梯形控制）的动态响应本身就不适合用于洗衣机控制，因为一个洗涤周期中的负载会动态变化，并且实际负载还会因洗涤量和所选洗涤周期的不同而变化。此外，在前开式洗衣机中，当负载位于滚筒顶侧时，电机负载要克服重力做功。只有高级算法（例如FOC）可以处理这些动态负载变化。
FOC原理
FOC算法会产生矢量形式的3相电压，用于控制3相定子电流。通过使用Park和Clarke变换将物理电流变换为旋转矢量（见图2和3），转矩和磁通分量不会随时间变化（时间不变性）——使得可以与直流电机一样，使用诸如比例积分（PI）控制器之类的传统技术来进行控制。根据设计，在有刷直流电机中，定子磁通和转子磁通之间的角度保持为90度，从而使电机产生可能的最大转矩。通过使用FOC技术，电机电流变换为2轴矢量，就如直流电机中的电流。此过程的第一步是测量3相电机电流。在实际测量中，由于3个电流值的瞬时和为0，所以只需测量其中两个电流，就可以确定第三个电流的值。此外，由于只需要两个电流传感器，因此还可以降低硬件成本。
Clarke变换
第一个变换（称为Clarke变换）将以定子作为参照物的3轴二维坐标系转换为2轴坐标系，并保持相同的参照物（见图3，其中，Ia、Ib和Ic是各个相电流）。
图2：Clarke变换
此时，定子电流相量可以在使用α-β轴的2轴正交坐标系上表示。下一步是变换为另一个2轴坐标系，称为d-q轴坐标系，它会随转子磁通而旋转。这通过Park变换实现，如图3所示。
图3：Park变换
当正弦输入电流施加到定子上时，会产生旋转磁通。转子的速度与旋转磁通矢量直接相关。磁通矢量必须始终与转子磁极保持对齐，以使电机产生最大的转矩。
图4给出了整个过程的图示，包括坐标变换、PI迭代、逆变换和产生PWM。图4还描述了FOC控制所需的功能。误差信号根据Id、Iq和它们各自的参考值而产生。Id参考电流控制转子磁通。请记住，只有在负载稳定的条件下，Id和Iq（代表转矩和磁通）才具有时间不变性。Iq参考电流控制电机的转矩输出。PI控制器的输出提供Vd和Vq，它们构成发送到电机的电压矢量。新的变换角根据由Park逆变换产生的电压和由Park变换产生的电流进行估计。
FOC算法使用新的变换角来确定下一个电压矢量的位置。通过使用新的变换角，PI控制器的Vd和Vq输出值被旋转变换到静止参考坐标系。该计算产生正交电压值v和vβ。下一步，对
v和vβ值进行逆变换，得到3相值v、vβ和vc。3相电压值用于计算新的PWM占空比值，产生所需的电压矢量。
图4：采用无传感器FOC算法控制的直接驱动洗衣机PMSM电机的应用框图
在FOC算法中，3相分离的PWM信号使用空间矢量调制（SVM）进行正弦波调制，并施加到电机的3相绕组。通过使用分流电阻，可以监视每个绕组中的电流，并将电流与基于电机特性的电气模型进行比较。电机供应商会提供电机的绕组特性，虽然它们也可以使用绕组的电感和电阻值进行测量。转子位置通过基于电机模型间接测量反电动势（EMF）来计算。通过推导等于测量电流的估算电流，可以基于电机模型计算得到反电动势。
采用FOC方法可以为PMSM电机功率管理带来许多好处。例如，FOC可以改善PMSM电机的动态响应，为诸如洗衣机之类需要快速响应速度变化（洗涤和甩干过程中）的电器带来好处。FOC支持以较低的电流产生最佳的转矩，因为它可以控制电流的幅值和相位，并使定子和转子磁场之间的角度保持90度。此外，由于FOC支持在每个PWM周期中控制电机电流，所以可以从根本上限制电流。
dsPIC DSC让电机控制变得简单
Microchip Technology的dsPIC DSC使电器设计师可以改善电机系统。若采样无传感器FOC算法，DSC将非常适合于控制PMSM电机（见图4）。这是因为dsPIC DSC及其片上外设可以高效地执行FOC算法，实现在PMSM电机中检测转子位置的无传感器方法。dsPIC DSC快速而灵活的ADC支持电流检测，并提供了一些很有用的触发选项。例如，可以通过PWM模块触发ADC转换，从而支持低成本的电流检测电路：在特定的时间，开关晶体管允许电流流过检测电阻，由检测电阻对输入电流进行检测。关键的是，dsPIC DSC的ADC具有同时捕捉多个信号的能力。通过这种功能，可以消除电机电流测量中，两个相电流采样之间的延时。
DSC的电机控制算法基于FOC算法来确定PWM占空比和输出模式。PWM最重要的功能是带可编程死区的互补通道。PWM可以采用边沿对齐或中间对齐。中间对齐PWM的优点是可以降低电器控制系统发射的电磁噪声（EMI）。
dsPIC DSC系列的所有器件均提供了故障和诊断接口，它们包含一些输入线，可以在系统发生严重故障时关闭PWM。例如，如果洗衣机的搅拌器由于滚筒中衣物缠绕而受阻，应阻止电机继续旋转，否则衣物可能会被撕裂。这种阻塞会表现为电机控制系统的过电流现象而被检测到，并通过使用故障引脚关闭电机进行响应。通过添加诊断功能，可以记录和/或显示这些类型的故障，或者将它们传送到计算机中进行进一步的故障排除。这是非常重要的功能，因为它可以帮助防止硬性故障和缩短产品停机时间。
洗衣机系统设计
基于前面概述的FOC电机控制概念，现在可以讨论基于dsPIC DSC的洗衣机系统设计。图5给出了电机控制系统的框图表示。可以通过以下方式设计用于电器的可变电源：首先，使用单相二极管桥式整流器将交流电源转换为直流。电压纹波使用一组电容滤除。该直流电压经过逆变，转换为具有可变频率的可变电压，并送到电机电源线。通过使用PWM技术，直流母线被调制为从逆变桥输出正弦电压。
图5：基于dsPIC DSC的洗衣机的系统框图
输入转换器部分中的整流桥将来自墙式电源插座的交流电压转换为直流电压。根据电器的类型，可能还会有EMI抑制模块。通常，使用NTC（负温度系数）电阻来防止涌入电流。高压尖峰使用金属氧化物变阻器（MOV）进行抑制。在二极管整流桥的输出端，使用一组电容来滤除直流纹波。
此外，输入转换器部分还具有有源PFC（功率因数修正）模块，使电路能符合一些欧洲能源法规。该有源PFC模块由一个电感、一个功率开关和一个二极管组成。DSC的ADC用于测量来自直流母线的电流和电压值。基于这些输入，DSC使用PWM模块来控制功率开关。实现方法是在DSC中执行PID循环，使PF值保持接近于1。
输出逆变器部分具有一个电压源逆变器，每个相位对应有两个功率开关，每个开关的两端均连接有续流二极管。电机绕组连接到开关的中间位置。来自“输入转换器模块”的直流电压使用该输出逆变器进行合成，获得用于控制电机的变压变频电源。
DSC与洗衣机的接口
通过访问DSC的专用片上外设，可以简便地实现控制算法。图6给出了基于dsPIC DSC控制器的洗衣机接口示例。DSC的ADC通道可以用于测量电机电流、电机温度和散热器温度（连接到功率开关）。根据应用的需求，还可以使用其他ADC通道来测量温度或电流，如图6所示。
图6：在洗衣机中用作系统控制器的DSC
通用输入与输出（I/O）用于接口开关和LCD或LED显示。在一些应用中，系统可以使用单个控制器来同时处理电机和系统控制。此外，还可以使用dsPIC DSC上的串行端口进行系统校准，以及诊断系统中的任意故障。
保护电器IP
在当今的全球化设计环境中，可能会有多个设计团队分布在多个设计地点，共同协作设计一系列电器。例如，用于洗衣机控制的FOC可能在地点A开发；面板设计和电子设计可能在地点B进行；而在地点C，系统集成商对电器进行最终的组装和测试。所有这些设计团队将具有他们自己的唯一IP，他们希望自己的IP可以受到保护。由于预期到这种需求，Microchip的dsPIC DSC系列提供了CodeGuard™安全功能，它支持在需要进行协作设计的环境中保护IP。
结论
通过在电器设计中使用DSC，可以实现高效的无传感器FOC算法。通过采用FOC，在PMSM电机应用中，可以实现高达95%的高效率。此外，由于FOC可以协助控制定子电流，从而极大地减少了转矩纹波，所以可以设计出更安静的洗衣机。这可以帮助节省用电，响应动态负载变化，同时降低可闻噪声。
Microchip的dsPIC DSC可以使洗衣机变得更加高效。利用通用的dsPIC DSC生产平台，电器制造商可以方便地推出一系列使用PMSM电机和FOC电机控制算法的洗衣机。通过这些基于软件的电机控制设计，电器制造商可以针对多种市场，快速地定制更新的电器型号。在这些情况下，唯一需要更改的只是FOC算法参数和控制的电源部分。
作者：Padmaraja Yedamale；首席应用工程师；家电解决方案部；Microchip Technology Inc.(end)
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(9/20/2012) |
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