无传感器FOC控制提高电器电机控制设计

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1、无传感器FOC控制提高电器电机控制设计邮件群发对于大多数家用电器制造商，提高电器效率和降低可闻噪声是最优先考虑的事 项。通常，政府通过严格的法规来推动对效率的要求。然后，有一些消费者会愿意 引领潮流，以相对较高的价格购买“更绿色”的电器。这驱使电器制造商研究相应 的解决方案，解决效率和可闻噪声方面的问题，同时让增加的整体系统成本保持最 低。例如，电器制造商希望设计出可以快速响应速度变化（包括洗涤和甩干两个过 程）的洗衣机。一些高级电机控制技术，如磁场定向控制（FOC）,也称为矢量控制，有助于设计出更加安静节能的洗衣机。洗衣机控制拓扑本文主要关注如何部署FOC来设计高效、安静的洗衣机。通过分析洗

2、衣机的构 造，可以了解为什么需要高效的电机控制技术。如图1所示，最新型的洗衣机带有 一个滚筒单元，该结构由BLDC电机或PMSM电机、电机控制器电路板、带按键用户 界面电路板和显示单元组成。控制器电路板和用户界面电路板可以使用吊行链路 （如UART、SPI或专有串行协议）进行通信，用以设置所需的洗涤负载、漂洗速度， 以及处理其他命令。根据所接收到的命令，电机控制器电路板会调整电机速度和扭 矩。电机是洗衣机中最主要的用电部件，用电量可达总用电量的85%。因此，对于 PMSM控制的任何改进，都可以显著节省用电和成本。为此，高效的电机控制对于 设讣更好的电器非常关键。用户界面电路板 I通信通道电机控

3、制器电机(PMSM. BLDC或3 相 ACIM)图1新型洗衣机的构造新型信号控制器促进电器设计半导体技术的发展促进了数字信号控制器(DSC)和功率电子开关的产生，它们 可以用于设讣变速电机。实际上，得益于DSC高效而高成本效益的电机功率管理， 电器不再需要局限于使用一些定制的硬件和控制技术。例如，借助Microchip最新 一代的dsPIC DSC系列，电器制造商现在可以设计出显著节省用电和成本的电机系 统。这是因为dsPIC DSC包含专用于电机控制应用的外设。这些外设包括电机控 制脉宽调制(MCPWM)、高速ADC和可扩展闪存程序存储器。此外，dsPIC DSC的DSP引擎还支持必需的快

4、速数学运算，用于执行需要大量 讣算的控制循环。本文将讨论如何通过dsPIC DSC使用F0C算法来控制洗衣机中的 电机。在洗衣机中，dsPIC DSC用作电机控制电路板上的信号控制器。用户界面模 块可以采用8位单片机(MCU)进行处理，如Microchip的PIC16或PIC18系列 MCU,可以针对三相感应电机(ACIM)、三相无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机（PMSM）分别实现FOC算法。山于构造方面的原因，PMSM电机的效率比ACIM电机 高。以下将特别讨论无传感器FOC算法对于洗衣机中的PMSM电机是如何工作的。为什么使用FOC算法?传统的BLDC电机控制方法以六步方式驱动定子，

5、会导致 输出转矩出现振荡。在六步控制方式中，先对两个绕组通电，直到转子到达下一个 位置，然后电机换向到下一步。霍尔传感器用于确定转子位置，以便对电机进行电子换向。高级无传感器FOC算法使用定子绕组中产生的反电动势来确定转 子位置。六步控制（也称为梯形控制）的动态响应本身就不适合用于洗衣机控制，因 为一个洗涤周期中的负载会动态变化，并且实际负载还会因洗涤量和所选洗涤周期 的不同而变化。此外，在前开式洗衣机中，当负载位于滚筒顶侧时，电机负载要克 服重力做功。只有高级算法（如FOC）可以处理这些动态负载变化。FOC原理FOC算法会产生矢量形式的3相电压，用于控制三相定子电流。通过使用Park 和Cl

6、arke变换将物理电流变换为旋转矢量，转矩和磁通分量不会随时间变化（时间 不变性）一一使得可以与直流电机一样，使用诸如比例积分（PI）控制器之类的传统 技术来进行控制。根据设计，在有刷直流电机中，定子磁通和转子磁通之间的角度 保持为90?,从而使电机产生可能的最大转矩。通过使用FOC技术，电机电流变换 为2轴矢量，就如直流电机中的电流。此过程的笫一步是测量三相电机电流。在实 际测量中，III于3个电流值的瞬时和为0,所以只需测量其中两个电流，就可以确 定第三个电流的值。此外，山于只需要两个电流传感器，因此还可以降低硬件成 本。Clarke变换第一个变换称为Clarke变换，将以定子作为参照物的

7、3轴二维坐标系转换为2 轴坐标系，并保持相同的参照物。如图2所示，其中，Id、lb和Ic是各个相电 流。图2 Clarke变换此时，定子电流相量可以在使用a-P轴的2轴正交坐标系上表示。下一步是 变换为另一个2轴坐标系，称为d-q轴坐标系，它会随转子磁通而旋转，通过图3 所示的Park变换实现。图3 Park变换当正弦输入电流施加到定子上时，会产生旋转磁通。转子的速度与旋转磁通矢 量直接相关。磁通矢量必须始终与转子磁极保持对齐，以使电机产生最大的转矩。图4给出了整个过程的图示，包括坐标变换、PI迭代、逆变换和产生PWM,还 描述了 FOC控制所需的功能。误差信号根据Id、Iq和各自的参考值而产

8、生。Id参 考电流控制转子磁通。请记住，只有在负载稳定的条件下，Id和Iq(代表转矩和磁 通)才具有时间不变性。Iq参考电流控制电机的转矩输出。PI控制器的输出提供 Vd和Vq,它们构成发送到电机的电压矢量。新的变换角根据III Park逆变换产生的 电压和由Park变换产生的电流进行估计。图4采用无传感器FOC算法控制的直接驱动洗衣机PMSM电机的应用框图FOC算法使用新的变换角来确定下一个电压矢量的位置。通过使用新的变换 角，PI控制器的Vd和Vq输出值被旋转变换到静止参考坐标系。该计算产生正交 电压值va和v0。下一步，对va和vB值进行逆变换，得到三相值va、vb和 vco三相电压值用

9、于计算新的PWM占空比值，产生所需的电压矢量。在F0C算法中，三相分离的PWM信号使用空间矢量调制(SVM)进行正弦波调 制，并施加到电机的三相绕组。通过使用分流电阻，可以监视每个绕组中的电流， 并将电流与基于电机特性的电气模型进行比较。电机供应商会提供电机的绕组特 性，虽然它们也可以使用绕组的电感和电阻值进行测量。转子位置通过基于电机模 型间接测量反电动势(EMF)来讣算。通过推导等于测量电流的估算电流，可以基于 电机模型计算得到反电动势。采用FOC方法可以为PMSM电机功率管理带来许多好处。例如，FOC可以改善 PMSM电机的动态响应，为诸如洗衣机之类需要快速响应速度变化(洗涤和甩干过程

10、中)的电器带来好处。FOC支持以较低的电流产生最佳的转矩，因为它可以控制电 流的幅值和相位，并使定子和转子磁场之间的角度保持90?。此外，山于FOC支持 在每个PWM周期中控制电机电流，所以可以从根本上限制电流。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，

11、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，山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。PW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) odsPIC 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山于滚筒

12、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，或者将它们传送到讣算机 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

13、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TC（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

14、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 lo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

15、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 计和电子设讣可能在地点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7 CodeGuard安全功能，它支持在 需要进行协作设计的环境中保护IPo结论通过在电器设计中使用DSC,可以实现高效的无传感器F0C算法。通过采用 F0C,在PMSM电机应用中，可以实现高达95%的高效率。此外，由于F0C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。