通過無傳感器FOC控制提高電器電機控制的效率和成本效益
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洗衣機控制拓撲
本文主要關(guān)注如何部署FOC來設(shè)計高效、安靜的洗衣機。通過分析洗衣機的構(gòu)造，可以了解為什么需要高效的電機控制技術(shù)。如圖1所示，最新型的洗衣機帶有一個滾筒單元，該結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計更好的電器非常關(guān)鍵。
圖1新型洗衣機的構(gòu)造
新型信號控制器促進電器設(shè)計
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展促進了數(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。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(shù)。例如，借助Microchip最新一代的dsPICDSC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系統(tǒng)。這是因為dsPIC DSC上包含專用于電機控制應(yīng)用的外設(shè)。這些外設(shè)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(xué)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(yīng)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(gòu)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(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)子到達下一個位置，然后電機換向到下一步?；魻杺鞲衅饔糜诖_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(yīng)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(dāng)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(shù)來進行控制。根據(jù)設(shè)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(shù)，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(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)。
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