出于對環(huán)境保護的考慮，預計更新的法規(guī)會不斷頒布出來，以要求開發(fā)更加節(jié)能高效的家用電器，例如洗衣機或空調(diào)。迄今為止，只有少數(shù)幾家供應商推出的專有解決方案，提供了尖端的電機控制技術，可支持能效更高、噪聲更低的電器。不過，現(xiàn)在有了嶄新的變化——得益于新一代數(shù)字信號控制器(DSC)，以高成本效益方式實現(xiàn)高級電機控制算法已成為現(xiàn)實。
以要求通過改變電機速度來快速響應洗滌和漂洗過程的洗衣機為例。為了讓洗衣機能夠完成這一任務，設計人員需采用高級電機控制算法。在眾多可用的高級電機控制技術中，場定向控制(FOC)技術脫穎而出，它可幫助人們設計節(jié)能安靜的洗衣機。假設讀者已具有FOC算法的應用知識，本文從采用DSC實現(xiàn)基于FOC的無傳感器PMSM控制開始，主要介紹如何在電器中實現(xiàn)基于永磁同步電機(PMSM)的無傳感器FOC控制，以便為電器電機控制帶來最大的成本效益。
對于無法部署位置或速度傳感器的一些應用，無傳感器FOC技術還可以克服一些由此產(chǎn)生的限制。例如，在一些壓縮機應用中，電機充滿機油會對線束布局有一些限制。在電器中采用PMSM電機時，由于PMSM電機轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場是恒定的，所以可以提供極高的效率。此外，電機的定子磁場通過正弦分布的繞組產(chǎn)生。與感應電機相比，PMSM電機還具有極高的功率/尺寸比。與直流電機相同，它們的電氣噪聲也較低，因為它們不采用電刷。
為什么在電機控制中采用DSC？
DSC非常適合于洗衣機之類的電器，因為它們具有針對電機控制而定制的外設，例如脈寬調(diào)制器(PWM)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和正交編碼器接口。在執(zhí)行控制器程序和實現(xiàn)數(shù)字濾波器時，由于DSC能夠在單周期中執(zhí)行MAC指令和小數(shù)運算，所以可以幫助設計人員優(yōu)化代碼的執(zhí)行。此外，對于需要飽和功能的運算，DSC提供了硬件飽和保護功能，可幫助設計人員避免發(fā)生溢出。
DSC 需要快速靈活的ADC來進行電流檢測，這是電機控制中的一項關鍵功能。Microchip dsPIC DSC系列提供了這樣的ADC，能夠以1Msps的速率轉(zhuǎn)換輸入采樣，可同時處理最多4路輸入。這些ADC具有多種觸發(fā)選項，支持采用低成本的電流檢測電阻來測量電機相繞組電流。例如，可以通過PWM模塊觸發(fā)A/D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入檢測電阻，可在此時對輸入進行檢測。
采用的電機控制開發(fā)工具
本文討論的FOC電機控制固件基于 Microchip的dsPICDEM MC1電機控制開發(fā)板。FOC算法采用Microchip的數(shù)據(jù)監(jiān)視與控制界面(DMCI)工具進行測試和調(diào)試，該工具是MPLAB集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)的一個模塊。DMCI工具提供了快速的動態(tài)IDE，讓設計人員可以用圖形方式來表示應用反饋。例如，在DMCI的IDE中，程序符號(變量)可以動態(tài)地分配給滾動條、直接輸入或布爾控件的任意組合，而IDE提供了對于這些符號(變量)的項目知悉導航功能。通過這些控件，用戶可以在DMCI IDE中交互式地更改程序變量的值。此外，用戶還可以動態(tài)地配置圖形，以查看程序生成的數(shù)據(jù)。
在系統(tǒng)結構框圖(圖1)中，可以看到電機軸上沒有安裝位置傳感器，但電機上采用了一些傳感器來測量電流。這些傳感器的電感電阻較低，它們屬于逆變器功能模塊的一部分。這里采用一個三相逆變器作為功率級，用來驅(qū)動電機繞組(圖2)。
圖1：USB界面專用充電器。
圖2：三相逆變器驅(qū)動PMSM繞組。
FOC(或矢量控制)算法的簡要步驟
以下總結了控制PMSM的FOC算法步驟。
1.先測量三相定子電流ia和ib。根據(jù)ia+ib+ic=0，計算來自兩個電流傳感器的電流。
2.將三相電流轉(zhuǎn)換到2軸坐標系中。該轉(zhuǎn)換根據(jù)測量的ia、ib和ic值得到變量iα和iβ。從定子的角度來說，iα和iβ是時變正交電流值。該步驟稱為Park變換。
3.采用控制循環(huán)上一次迭代時計算的變換角旋轉(zhuǎn)2軸坐標系，使之與轉(zhuǎn)子磁通對齊。該轉(zhuǎn)換根據(jù)iα和iβ得到變量id和iq。現(xiàn)在，將正交電流id和iq變換到旋轉(zhuǎn)坐標系中。在穩(wěn)態(tài)條件下，id和iq將保持恒定。該步驟稱為Clarke變換。