基于數(shù)字信號(hào)控制器的智能家電解決方案

　　摘要： 本文將說明如何利用一個(gè)低成本的DSP 控制器實(shí)現(xiàn)連續(xù)變速操作，進(jìn)而滿足低成本應(yīng)用的要求。

　　關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號(hào)控制器;馬達(dá)驅(qū)動(dòng);算法;SVPWM

　　利用單個(gè) DSP 控制器集成多種系統(tǒng)功能

　　先進(jìn)的新型 DSP 控制器能讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇效率更高的電動(dòng)馬達(dá)，例如無刷直流馬達(dá) (BLDC) 或永磁同步馬達(dá) (PMSM) 等驅(qū)動(dòng)裝置。這些馬達(dá)提供多項(xiàng)勝過有刷馬達(dá)和交流感應(yīng)馬達(dá)的優(yōu)勢(shì)。無刷直流馬達(dá)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較輕，所以效率更高、操作更安靜、加速也更快。一款專為省電和省水洗衣機(jī)設(shè)計(jì)的無刷直流馬達(dá)控制電路如圖1所示。這個(gè)控制電路以一顆 DSP 控制器為核心，不僅能控制主要驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的操作，還有充裕的效能管理，可輔助水泵和螺線管等組件，以便提供水量和洗衣精劑量控制等其它功能。該控制器還能執(zhí)行有源功率因數(shù)校正，讓家電產(chǎn)品從交流輸入電源汲取更多電力。

圖1 無刷直流馬達(dá)應(yīng)用

　　控制器的主要工作是產(chǎn)生多種高頻、高分辨率的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)，另外，它還必須具備充分的運(yùn)算能力來執(zhí)行先進(jìn)算法，以便將轉(zhuǎn)矩紋波減至最小、進(jìn)行線上參數(shù)調(diào)整并提供精確的轉(zhuǎn)速控制。除此之外，還必須縮小設(shè)計(jì)體積并減少組件數(shù)量，使它更容易生產(chǎn)制造。

　　DSP 控制器內(nèi)置多種功能以便執(zhí)行前述所有工作，包括1個(gè)40MIPS的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核、16個(gè)以上的PWM通道、4個(gè)通用定時(shí)器、1個(gè)含有16個(gè)多路復(fù)用輸入通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、編碼器接口、串行通信接口、SPI連接端口以及1個(gè)看門狗定時(shí)器。該器件的PWM輸出數(shù)目足以控制1個(gè)三相電壓源逆變器，而前端升壓轉(zhuǎn)換器則能實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正電路。剩下的PWM通道可用于其它功能，例如熱水器伺服系統(tǒng)和輔助馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置。片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器則可用來測(cè)量各種系統(tǒng)輸入，如馬達(dá)相位電流和功率因數(shù)校正電路的直流總線電壓等。由于該器件提供多達(dá)16個(gè)通道，其它輸入可用來測(cè)量水溫和水位等操作條件。

　　馬達(dá)驅(qū)動(dòng)算法和其它軟件模塊

　　馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置共有三大軟件模塊：變速操作所需的閉環(huán)空間向量脈寬調(diào)制(SVPWM)模塊、前端輸入功率因數(shù)校正，以及一個(gè)主要做為控制器與用戶控制面板之間界面的通信模塊。本文著重介紹了SVPWM模塊。空間向量PWM技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，從而勝過正弦波PWM 等較簡(jiǎn)單、效率較差的方法。在特定的直流鏈路電壓輸出下，SVPWM的三相馬達(dá)功率輸出比正弦波 PWM 饋電馬達(dá)的高出16%。圖2是SVPWM算法的結(jié)構(gòu)圖。

圖2  閉環(huán)控制算法的軟件結(jié)構(gòu)圖

　　首先是產(chǎn)生參考電壓向量?？刂破鲿?huì)在直接正交 (d-q) 平面上以特定的速度和振幅旋轉(zhuǎn)參考電壓向量，參考頻率wsp由用戶提供，角頻率we則由頻率產(chǎn)生算法控制。角度積分器的8個(gè)高位作為指針，指向一個(gè)256字符的正弦波值查詢表。只要將一個(gè)固定值 (步階幅度) 加到此寄存器，指針就會(huì)以固定速率在表格上循環(huán)移動(dòng)，并在移到表格尾端時(shí)折回表格的最前端繼續(xù)移動(dòng)。它還需要sine(α) 的值，以便將參考電壓向量分解成參考電壓向量所在扇形區(qū) (sector) 的基本空間向量。由于 6 個(gè)扇形區(qū)都采用同樣的分解程序，系統(tǒng)只需一份60o的正弦波值查詢表。在特定的步長(zhǎng)幅度下，參考電壓 V* 的角頻率 (周期/秒) 等于：

　　其中fs是采樣頻率，Step等于角度的步長(zhǎng)增量，m 則是積分寄存器的位數(shù)。

　　設(shè)定PWM頻率fs=20kHz，Step=1，m=16，頻率分辨率就變成0.061Hz，這表示設(shè)計(jì)人員對(duì)逆變器輸出頻率的控制精確度能達(dá)到0.1Hz。查詢表的大小也會(huì)影響合成正弦波的諧波失真度。假設(shè)表格有 256 個(gè)字段，角度變動(dòng)范圍為 60o，那么角度查詢的分辨率就等于 60o/256 = 0.230o。

　　第二步是把參考電壓向量變換成下列所述的一組開關(guān)變量。三相電壓源逆變器可以產(chǎn)生 8個(gè)基本向量。系統(tǒng)則會(huì)通過線性組合的方式，將兩個(gè)相鄰的基本向量 Vx與Vy，以及兩個(gè)零向量中的任何一個(gè)向量組成特定扇形區(qū)的參考電壓向量 V*。此時(shí)參考向量可以寫成：

　　V* = dxVx + dyVy + dzVz

　　其中：Vz是零向量，dx、dy和dz則是 X、Y 和Z狀態(tài)在PWM切換間隔的占空比。這些占空比的總和等于100%的PWM周期 (dx+dy+dz=1)?，F(xiàn)在：

　　V* = MVmaxeja = dxVx + dyVy + dzVz

　　其中M是調(diào)制指數(shù)。并且求得：

　　dx=Msin(60 - a)

　　dy=Msin(a)

　　d-q參考坐標(biāo)能對(duì)齊任何一個(gè)基本向量，所以這些方程式可用于 6 個(gè)扇區(qū)。算法還必須計(jì)算比較值，然后將新值存入 PWM 模塊。計(jì)算出特定參考電壓 V* 的 PWM 占空比后，系統(tǒng)在每個(gè) PWM 周期 (50ms) 都會(huì)計(jì)算 3 個(gè)新的比較值 (Ta、Tb和Tc) 以產(chǎn)生開關(guān)模式。

　　這些值會(huì)加載到 PWM 比較寄存器，控制器會(huì)在下個(gè) PWM 周期開始時(shí)更新占空比。

　　馬達(dá)轉(zhuǎn)速信息來自 25 齒的鏈輪和霍爾效應(yīng)傳感器，再由器件的采集模塊精確記錄霍爾效應(yīng)傳感器的輸出。DSP計(jì)算最近25個(gè)周期的測(cè)量結(jié)果平均值，以避免轉(zhuǎn)速測(cè)量常見的測(cè)量抖動(dòng)現(xiàn)象。系統(tǒng)利用平均算法得到可靠的周期測(cè)量值后，即可計(jì)算周期的倒數(shù)來取得角速度(頻率)。最后再由傳統(tǒng)的比例積分算法執(zhí)行閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制。

　　尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于任何無源濾波器。這種有源功率因數(shù)校正機(jī)制應(yīng)符合未來任何嚴(yán)格的電力品質(zhì)法規(guī)要求。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　我們構(gòu)建了圖 3 所示的 250W 實(shí)驗(yàn)板，它能提供上述的所有功能。驅(qū)動(dòng)頻率可以從 0至 60Hz。三相電壓源逆變器和升壓轉(zhuǎn)換器都使用功率MOSFET。升壓轉(zhuǎn)換電路的電感大約等于 150mH。控制軟件則使用匯編語(yǔ)言，這些匯編語(yǔ)言長(zhǎng)度小于 4k 個(gè)字符，全部?jī)?chǔ)存在 DSP 控制器的閃存中。這套系統(tǒng)也能改用內(nèi)含 ROM 內(nèi)存的 DSP 控制器，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的總成本。圖4顯示輸入電源的電壓與電流幾乎沒有相位差，證明輸入功率因數(shù)已獲得大幅改進(jìn)。

圖3  利用一顆 DSP 控制器實(shí)現(xiàn)多種功能的實(shí)驗(yàn)板

圖4  輸入電源的電壓與電流保持同相位，證明功率因數(shù)校正成功

　　表 1 是各種軟件模塊所需的 DSP 控制器頻寬。執(zhí)行這些功能顯然只會(huì)占用 DSP 的部份效能，這表示設(shè)計(jì)人員還能視應(yīng)用需要采用更先進(jìn)的算法。