無傳感器FOC控制提高電器電機控制設計

　　洗衣機控制拓撲

　　本文主要關注如何部署FOC來設計高效、安靜的洗衣機。通過分析洗衣機的構造，可以了解為什么需要高效的電機控制技術。如圖1所示，最新型的洗衣機帶有一個滾筒單元，該結構由BLDC電機或PMSM電機、電機控制器電路板、帶按鍵用戶界面電路板和顯示單元組成。控制器電路板和用戶界面電路板可以使用串行鏈路(如UART、SPI或?qū)Ｓ写袇f(xié)議)進行通信，用以設置所需的洗滌負載、漂洗速度，以及處理其他命令。根據(jù)所接收到的命令，電機控制器電路板會調(diào)整電機速度和扭矩。電機http://bbsic.big-bit.com/是洗衣機中最主要的用電部件，用電量可達總用電量的85%。因此，對于PMSM控制的任何改進，都可以顯著節(jié)省用電和成本。為此，高效的電機控制對于設計更好的電器非常關鍵。

　　圖1新型洗衣機的構造

　　新型信號控制器促進電器設計

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

　　此外，dsPIC DSC的DSP引擎還支持必需的快速數(shù)學運算，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算法來控制洗衣機中的電機。在洗衣機中，dsPIC DSC用作電機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(MCU)進行處理，如Microchip的PIC16或PIC18系列MCU，可以針對三相感應電機(ACIM)、三相無刷直流(BLDC)電機或永磁同步電機(PMSM)分別實現(xiàn)FOC算法。由于構造方面的原因，PMSM電機的效率比ACIM電機高。以下將特別討論無傳感器FOC算法對于洗衣機中的PMSM電機是如何工作的。

　　為什么使用FOC算法?傳統(tǒng)的BLDC電機控制方法以六步方式驅(qū)動定子，會導致輸出轉(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)子到達下一個位置，然后電機換向到下一步。霍爾傳感器用于確定轉(zhuǎn)子位置，以便對電機進行電子換向。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)響應本身就不適合用于洗衣機控制，因為一個洗滌周期中的負載會動態(tài)變化，并且實際負載還會因洗滌量和所選洗滌周期的不同而變化。此外，在前開式洗衣機中，當負載位于滾筒頂側(cè)時，電機負載要克服重力做功。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一樣，使用諸如比例積分(PI)控制器之類的傳統(tǒng)技術來進行控制。根據(jù)設計，在有刷直流電機中，定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通之間的角度保持為90°，從而使電機產(chǎn)生可能的最大轉(zhuǎn)矩。通過使用FOC技術，電機電流變換為2軸矢量，就如直流電機中的電流。此過程的第一步是測量三相電機電流。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軸二維坐標系轉(zhuǎn)換為2軸坐標系，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軸正交坐標系上表示。下一步是變換為另一個2軸坐標系，稱為d-q軸坐標系，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。磁通矢量必須始終與轉(zhuǎn)子磁極保持對齊，以使電機產(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參考電流控制電機的轉(zhuǎn)矩輸出。PI控制器的輸出提供Vd和Vq，它們構成發(fā)送到電機的電壓矢量。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PMSM電機的應用框圖

　　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系。該計算產(chǎn)生正交電壓值vα和vβ。下一步，對vα和vβ值進行逆變換，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)進行正弦波調(diào)制，并施加到電機的三相繞組。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特性的電氣模型進行比較。電機供應商會提供電機的繞組特性，雖然它們也可以使用繞組的電感和電阻值進行測量。轉(zhuǎn)子位置通過基于電機模型間接測量反電動勢(EMF)來計算。通過推導等于測量電流的估算電流，可以基于電機模型計算得到反電動勢。

　　采用FOC方法可以為PMSM電機功率管理帶來許多好處。例如，F(xiàn)OC可以改善PMSM電機的動態(tài)響應，為諸如洗衣機之類需要快速響應速度變化(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控制變得簡單

　　dsPIC等先進的DSC使電器設計師可以改善電機系統(tǒng)。若采用無傳感器FOC算法，DSC將非常適合于控制PMSM電機。這是因為dsPIC DSC及其片上外設可以高效地執(zhí)行FOC算法，實現(xiàn)在PMSM電機中檢測轉(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，開關晶體管允許電流流過檢測電阻，由檢測電阻對輸入電流進行檢測。關鍵的是，dsPIC DSC的ADC具有同時捕捉多個信號的能力。通過這種功能，可以消除電機電流測量中，兩個相電流采樣之間的延時。

　　DSC的電機控制算法基于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)生嚴重故障時關閉PWM。例如，如果洗衣機的攪拌器由于滾筒中衣物纏繞而受阻，應阻止電機繼續(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閉電機進行響應。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中進行進一步的故障排除。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)品停機時間。

　　洗衣機系統(tǒng)設計

　　基于前面概述的FOC電機控制概念，現(xiàn)在可以討論基于dsPIC DSC的洗衣機系統(tǒng)設計。圖5給出了電機控制系統(tǒng)的框圖?？梢酝ㄟ^以下方式設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，并送到電機電源線。通過使用PWM技術，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的洗衣機的系統(tǒng)框圖

　　輸入轉(zhuǎn)換器部分中的整流橋?qū)碜詨κ诫娫床遄慕涣麟妷恨D(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。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，每個相位對應有兩個功率開關，每個開關的兩端均連接有續(xù)流二極管。電機繞組連接到開關的中間位置。來自“輸入轉(zhuǎn)換器模塊”的直流電壓使用該輸出逆變器進行合成，獲得用于控制電機的變壓變頻電源。

　　DSC與洗衣機的接口

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

　　圖6 在洗衣機中用作系統(tǒng)控制器的DSC

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

　　保護電器IP

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

　　結論

　　通過在電器設計中使用DSC，可以實現(xiàn)高效的無傳感器FOC算法。通過采用FOC，在PMSM電機應用中，可以實現(xiàn)高達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，所以可以設計出更安靜的洗衣機。這可以幫助節(jié)省用電，響應動態(tài)負載變化，同時降低可聞噪聲。