通過無傳感器FOC控制提高電器電機控制的效率和成本效益
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數(shù)字信號控制器讓電機控制變得簡單
dsPIC等先進的DSC使電器設(shè)計師可以改善電機系統(tǒng)。若采用無傳感器FOC算法，DSC將非常適合于控制PMSM電機。這是因為dsPIC DSC及其片上外設(shè)可以高效地執(zhí)行FOC算法，實現(xiàn)在PMSM電機中檢測轉(zhuǎn)子位置的無傳感器方法。dsPIC DSC快速而靈活的ADC支持電流檢測，并提供了一些很有用的觸發(fā)選項。例如，可以通過PWM模塊觸發(fā)ADC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(guān)晶體管允許電流流過檢測電阻，由檢測電阻對輸入電流進行檢測。關(guān)鍵的是，dsPIC DSC的ADC具有同時捕捉多個信號的能力。通過這種功能，可以消除電機電流測量中，兩個相電流采樣之間的延時。
DSC的電機控制算法基于FOC算法來確定PWM占空比和輸出模式。PWM最重要的功能是帶可編程死區(qū)的互補通道。PWM可以采用邊沿對齊或中間對齊。中間對齊PWM的優(yōu)點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)重故障時關(guān)閉PWM。例如，如果洗衣機的攪拌器由于滾筒中衣物纏繞而受阻，應(yīng)阻止電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，否則衣物可能會被撕裂。這種阻塞會表現(xiàn)為電機控制系統(tǒng)的過電流現(xiàn)象而被檢測到，并通過使用故障引腳關(guān)閉電機進行響應(yīng)。通過添加診斷功能，可以記錄和/或顯示這些類型的故障，或者將它們傳送到計算機中進行進一步的故障排除。這是非常重要的功能，因為它可以幫助防止硬性故障和縮短產(chǎn)品停機時間。
洗衣機系統(tǒng)設(shè)計
基于前面概述的FOC電機控制概念，現(xiàn)在可以討論基于dsPIC DSC的洗衣機系統(tǒng)設(shè)計。圖5給出了電機控制系統(tǒng)的框圖。可以通過以下方式設(shè)計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)過逆變，轉(zhuǎn)換為具有可變頻率的可變電壓，并送到電機電源線。通過使用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的洗衣機的系統(tǒng)框圖
輸入轉(zhuǎn)換器部分中的整流橋?qū)碜詨κ诫娫床遄慕涣麟妷恨D(zhuǎn)換為直流電壓。根據(jù)電器的類型，可能還會有EMI抑制模塊。通常，使用NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻來防止涌入電流。高壓尖峰使用金屬氧化物變阻器（MOV）進行抑制。在二極管整流橋的輸出端，使用一組電容來濾除直流紋波。
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模塊由一個電感、一個功率開關(guān)和一個二極管組成。DSC的ADC用于測量來自直流母線的電流和電壓值?；谶@些輸入，DSC使用PWM模塊來控制功率開關(guān)。實現(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電壓源逆變器，每個相位對應(yīng)有兩個功率開關(guān)，每個開關(guān)的兩端均連接有續(xù)流二極管。電機繞組連接到開關(guān)的中間位置。來自“輸入轉(zhuǎn)換器模塊”的直流電壓使用該輸出逆變器進行合成，獲得用于控制電機的變壓變頻電源。
DSC與洗衣機的接口
通過訪問DSC的專用片上外設(shè)，可以簡便地實現(xiàn)控制算法。圖6給出了基于dsPIC DSC控制器的洗衣機接口示例。DSC的ADC通道可以用于測量電機電流、電機溫度和散熱器溫度（連接到功率開關(guān)）。根據(jù)應(yīng)用的需求，還可以使用其他ADC通道來測量溫度或電流。
圖6 在洗衣機中用作系統(tǒng)控制器的DSC
通用I/O用于接口開關(guān)和LCD或LED顯示。在一些應(yīng)用中，系統(tǒng)可以使用單個控制器來同時處理電機和系統(tǒng)控制。此外，還可以使用dsPIC DSC上的串行端口進行系統(tǒng)校準(zhǔn)，以及診斷系統(tǒng)中的任意故障。
保護電器IP
在當(dāng)今的全球化設(shè)計環(huán)境中，可能會有多個設(shè)計團隊分布在多個設(shè)計地點，共同協(xié)作設(shè)計一系列電器。例如，用于洗衣機控制的FOC可能在地點A開發(fā)；面板設(shè)計和電子設(shè)計可能在地點B進行；而在地點C，系統(tǒng)集成商對電器進行最終的組裝和測試。所有這些設(shè)計團隊將具有自己唯一的IP，并希望自己的IP可以受到保護。由于預(yù)期到這種需求，dsPIC DSC系列提供了CodeGuard安全功能，它支持在需要進行協(xié)作設(shè)計的環(huán)境中保護IP。
結(jié)論
通過在電器設(shè)計中使用DSC，可以實現(xiàn)高效的無傳感器FOC算法。通過采用FOC，在PMSM電機應(yīng)用中，可以實現(xiàn)高達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)計出更安靜的洗衣機。這可以幫助節(jié)省用電，響應(yīng)動態(tài)負(fù)載變化，同時降低可聞噪聲。
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