基于數(shù)字信號控制器的智能家電解決方案

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作者：時間：2007-11-11 來源：電子產(chǎn)品世界

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

　　關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號控制器;馬達驅(qū)動;算法;SVPWM

　　利用單個 DSP 控制器集成多種系統(tǒng)功能

　　先進的新型 DSP 控制器能讓系統(tǒng)設(shè)計人員選擇效率更高的電動馬達，例如無刷直流馬達 (BLDC) 或永磁同步馬達 (PMSM) 等驅(qū)動裝置。這些馬達提供多項勝過有刷馬達和交流感應(yīng)馬達的優(yōu)勢。無刷直流馬達的轉(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設(shè)計的無刷直流馬達控制電路如圖1所示。這個控制電路以一顆 DSP 控制器為核心，不僅能控制主要驅(qū)動馬達的操作，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，另外，它還必須具備充分的運算能力來執(zhí)行先進算法，以便將轉(zhuǎn)矩紋波減至最小、進行線上參數(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40MIPS的16位定點DSP內(nèi)核、16個以上的PWM通道、4個通用定時器、1個含有16個多路復(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個看門狗定時器。該器件的PWM輸出數(shù)目足以控制1個三相電壓源逆變器，而前端升壓轉(zhuǎn)換器則能實現(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)和輔助馬達驅(qū)動裝置。片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器則可用來測量各種系統(tǒng)輸入，如馬達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16個通道，其它輸入可用來測量水溫和水位等操作條件。

　　馬達驅(qū)動算法和其它軟件模塊

　　馬達驅(qū)動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?？臻g向量PWM技術(shù)具有多項優(yōu)點，從而勝過正弦波PWM 等較簡單、效率較差的方法。在特定的直流鏈路電壓輸出下，SVPWM的三相馬達功率輸出比正弦波 PWM 饋電馬達的高出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谥苯诱?(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個高位作為指針，指向一個256字符的正弦波值查詢表。只要將一個固定值 (步階幅度) 加到此寄存器，指針就會以固定速率在表格上循環(huán)移動，并在移到表格尾端時折回表格的最前端繼續(xù)移動。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)計人員對逆變器輸出頻率的控制精確度能達到0.1Hz。查詢表的大小也會影響合成正弦波的諧波失真度。假設(shè)表格有 256 個字段，角度變動范圍為 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個基本向量。系統(tǒng)則會通過線性組合的方式，將兩個相鄰的基本向量 Vx與Vy，以及兩個零向量中的任何一個向量組成特定扇形區(qū)的參考電壓向量 V*。此時參考向量可以寫成：

　　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)能對齊任何一個基本向量，所以這些方程式可用于 6 個扇區(qū)。算法還必須計算比較值，然后將新值存入 PWM 模塊。計算出特定參考電壓 V* 的 PWM 占空比后，系統(tǒng)在每個 PWM 周期 (50ms) 都會計算 3 個新的比較值 (Ta、Tb和Tc) 以產(chǎn)生開關(guān)模式。

　　這些值會加載到 PWM 比較寄存器，控制器會在下個 PWM 周期開始時更新占空比。

　　馬達轉(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計算最近25個周期的測量結(jié)果平均值，以避免轉(zhuǎn)速測量常見的測量抖動現(xiàn)象。系統(tǒng)利用平均算法得到可靠的周期測量值后，即可計算周期的倒數(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。

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

　　實驗結(jié)果

　　我們構(gòu)建了圖 3 所示的 250W 實驗板，它能提供上述的所有功能。驅(qū)動頻率可以從 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?？刂栖浖t使用匯編語言，這些匯編語言長度小于 4k 個字符，全部儲存在 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。