通过无传感器FOC控制提高电器电机控制的效率和成本效益
加入技术交流群
数字信号控制器让电机控制变得简单
dsPIC等先进的DSC使电器设计师可以改善电机系统。若采用无传感器FOC算法，DSC将非常适合于控制PMSM电机。这是因为dsPIC DSC及其片上外设可以高效地执行FOC算法，实现在PMSM电机中检测转子位置的无传感器方法。dsPIC DSC快速而灵活的ADC支持电流检测，并提供了一些很有用的触发选项。例如，可以通过PWM模块触发ADC转换，从而支持低成本的电流检测电路：在特定的时间，开关晶体管允许电流流过检测电阻，由检测电阻对输入电流进行检测。关键的是，dsPIC DSC的ADC具有同时捕捉多个信号的能力。通过这种功能，可以消除电机电流测量中，两个相电流采样之间的延时。
DSC的电机控制算法基于FOC算法来确定PWM占空比和输出模式。PWM最重要的功能是带可编程死区的互补通道。PWM可以采用边沿对齐或中间对齐。中间对齐PWM的优点是可以降低电器控制系统发射的电磁噪声（EMI）。
dsPIC DSC系列的所有器件均提供了故障和诊断接口，它们包含一些输入线，可以在系统发生严重故障时关闭PWM。例如，如果洗衣机的搅拌器由于滚筒中衣物缠绕而受阻，应阻止电机继续旋转，否则衣物可能会被撕裂。这种阻塞会表现为电机控制系统的过电流现象而被检测到，并通过使用故障引脚关闭电机进行响应。通过添加诊断功能，可以记录和/或显示这些类型的故障，或者将它们传送到计算机中进行进一步的故障排除。这是非常重要的功能，因为它可以帮助防止硬性故障和缩短产品停机时间。
洗衣机系统设计
基于前面概述的FOC电机控制概念，现在可以讨论基于dsPIC DSC的洗衣机系统设计。图5给出了电机控制系统的框图。可以通过以下方式设计用于电器的可变电源：首先，使用单相二极管桥式整流器将交流电源转换为直流。电压纹波使用一组电容滤除。该直流电压经过逆变，转换为具有可变频率的可变电压，并送到电机电源线。通过使用PWM技术，直流母线被调制为从逆变桥输出正弦电压。
图5 基于dsPIC DSC的洗衣机的系统框图
输入转换器部分中的整流桥将来自墙式电源插座的交流电压转换为直流电压。根据电器的类型，可能还会有EMI抑制模块。通常，使用NTC（负温度系数）电阻来防止涌入电流。高压尖峰使用金属氧化物变阻器（MOV）进行抑制。在二极管整流桥的输出端，使用一组电容来滤除直流纹波。
此外，输入转换器部分还具有有源PFC（功率因数校正）模块，使电路能符合一些欧洲能源法规。该有源PFC模块由一个电感、一个功率开关和一个二极管组成。DSC的ADC用于测量来自直流母线的电流和电压值。基于这些输入，DSC使用PWM模块来控制功率开关。实现方法是在DSC中执行PID循环，使PF值保持接近于1。
输出逆变器部分具有一个电压源逆变器，每个相位对应有两个功率开关，每个开关的两端均连接有续流二极管。电机绕组连接到开关的中间位置。来自“输入转换器模块”的直流电压使用该输出逆变器进行合成，获得用于控制电机的变压变频电源。
DSC与洗衣机的接口
通过访问DSC的专用片上外设，可以简便地实现控制算法。图6给出了基于dsPIC DSC控制器的洗衣机接口示例。DSC的ADC通道可以用于测量电机电流、电机温度和散热器温度（连接到功率开关）。根据应用的需求，还可以使用其他ADC通道来测量温度或电流。
图6 在洗衣机中用作系统控制器的DSC
通用I/O用于接口开关和LCD或LED显示。在一些应用中，系统可以使用单个控制器来同时处理电机和系统控制。此外，还可以使用dsPIC DSC上的串行端口进行系统校准，以及诊断系统中的任意故障。
保护电器IP
在当今的全球化设计环境中，可能会有多个设计团队分布在多个设计地点，共同协作设计一系列电器。例如，用于洗衣机控制的FOC可能在地点A开发；面板设计和电子设计可能在地点B进行；而在地点C，系统集成商对电器进行最终的组装和测试。所有这些设计团队将具有自己唯一的IP，并希望自己的IP可以受到保护。由于预期到这种需求，dsPIC DSC系列提供了CodeGuard安全功能，它支持在需要进行协作设计的环境中保护IP。
结论
通过在电器设计中使用DSC，可以实现高效的无传感器FOC算法。通过采用FOC，在PMSM电机应用中，可以实现高达95%的高效率。此外，由于FOC可以协助控制定子电流，从而极大地减少了转矩纹波，所以可以设计出更安静的洗衣机。这可以帮助节省用电，响应动态负载变化，同时降低可闻噪声。
评论