通過(guò)無(wú)傳感器FOC控制提高電器電機(jī)控制的效率和成本效益
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數(shù)字信號(hào)控制器讓電機(jī)控制變得簡(jiǎn)單
dsPIC等先進(jìn)的DSC使電器設(shè)計(jì)師可以改善電機(jī)系統(tǒng)。若采用無(wú)傳感器FOC算法，DSC將非常適合于控制PMSM電機(jī)。這是因?yàn)閐sPIC DSC及其片上外設(shè)可以高效地執(zhí)行FOC算法，實(shí)現(xiàn)在PMSM電機(jī)中檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的無(wú)傳感器方法。dsPIC DSC快速而靈活的ADC支持電流檢測(cè)，并提供了一些很有用的觸發(fā)選項(xiàng)。例如，可以通過(guò)PWM模塊觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，從而支持低成本的電流檢測(cè)電路：在特定的時(shí)間，開(kāi)關(guān)晶體管允許電流流過(guò)檢測(cè)電阻，由檢測(cè)電阻對(duì)輸入電流進(jìn)行檢測(cè)。關(guān)鍵的是，dsPIC DSC的ADC具有同時(shí)捕捉多個(gè)信號(hào)的能力。通過(guò)這種功能，可以消除電機(jī)電流測(cè)量中，兩個(gè)相電流采樣之間的延時(shí)。
DSC的電機(jī)控制算法基于FOC算法來(lái)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(duì)齊或中間對(duì)齊。中間對(duì)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(shí)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(huì)被撕裂。這種阻塞會(huì)表現(xiàn)為電機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)電流現(xiàn)象而被檢測(cè)到，并通過(guò)使用故障引腳關(guān)閉電機(jī)進(jìn)行響應(yīng)。通過(guò)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(jì)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?yàn)樗梢詭椭乐褂残怨收虾涂s短產(chǎn)品停機(jī)時(shí)間。
洗衣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(jì)。圖5給出了電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖?？梢酝ㄟ^(guò)以下方式設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)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?qū)?lái)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(huì)有EMI抑制模塊。通常，使用NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻來(lái)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(lái)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(gè)電感、一個(gè)功率開(kāi)關(guān)和一個(gè)二極管組成。DSC的ADC用于測(cè)量來(lái)自直流母線的電流和電壓值?；谶@些輸入，DSC使用PWM模塊來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)。實(shí)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(gè)電壓源逆變器，每個(gè)相位對(duì)應(yīng)有兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)的兩端均連接有續(xù)流二極管。電機(jī)繞組連接到開(kāi)關(guān)的中間位置。來(lái)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(guò)訪問(wèn)DSC的專用片上外設(shè)，可以簡(jiǎn)便地實(shí)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(cè)量電機(jī)電流、電機(jī)溫度和散熱器溫度（連接到功率開(kāi)關(guān)）。根據(jù)應(yīng)用的需求，還可以使用其他ADC通道來(lái)測(cè)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(kāi)關(guān)和LCD或LED顯示。在一些應(yīng)用中，系統(tǒng)可以使用單個(gè)控制器來(lái)同時(shí)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(jì)環(huán)境中，可能會(huì)有多個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分布在多個(gè)設(shè)計(jì)地點(diǎn)，共同協(xié)作設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)；面板設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)可能在地點(diǎn)B進(jìn)行；而在地點(diǎn)C，系統(tǒng)集成商對(duì)電器進(jìn)行最終的組裝和測(cè)試。所有這些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(jì)的環(huán)境中保護(hù)IP。
結(jié)論
通過(guò)在電器設(shè)計(jì)中使用DSC，可以實(shí)現(xiàn)高效的無(wú)傳感器FOC算法。通過(guò)采用FOC，在PMSM電機(jī)應(yīng)用中，可以實(shí)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(jì)出更安靜的洗衣機(jī)。這可以幫助節(jié)省用電，響應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)載變化，同時(shí)降低可聞噪聲。
評(píng)論