白色家电：DSC推动家用电器节能

2008年10月17日13:27:50 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：Microchip Technology DSC部应用工程师Jorge Zambada

鉴于电机驱动设备，包括电机、泵和风扇，可能占了64%的用电量，改进电机系统可能导致显著的能量和成本节省。用于消费及工业应用的无刷直流电机（BLDC）体积小巧，经营可控制性和高效率。实例包括空调压缩机、直驱洗衣机、冰箱压缩机和车辆空调压缩机。

本文将介绍可以用在家电如洗衣机上的永磁同步电机（PMSM）型BLDC电机的无传感器磁场定向控制（FOC）。

一台洗衣机的鼓单元包括一个BLDC电机、电机控制板及一个带有小键盘的用户接口板、LCD和温度传感器。用户接口板以串行链接对所需的洗涤负载、漂洗速度及其他命令与电机控制板的进行沟通。然后电机控制板根据收到的命令改变电机速度和扭矩。因此，任何PMSM控制板的改进，都可以显著节省能源和成本。

DSC有助于实现FOC方案

通过采用较新数字信号控制器（DSC）如Microchip的dsPIC33F电机控制系列，设计人员能改进电机系统中的能量效率和节省成本。使用DSC时，无传感器FOC算法非常适用于PMSM电机控制（见图1）。这是因为DSC及其片上外设有助于FOC算法有效地执行，以便以一种无传感器方法实现BLDC电机中的转子位置检测。FOC算法产生一个作为向量的三相电压来控制作为一个向量的三相定子电流。通过将三相时间和速度相关的系统转变成为一个对准转子的2维旋转坐标系（使用公园和Clarke变换），扭矩和通量时间变成时间不变量，有助于用传统技术如比例积分（PI）控制器像直流电机那样进行控制。

当一个正弦曲线输入电流加在定子上时，它产生了旋转磁通量。转子的速度与旋转磁通向量直接相关。磁通向量必须保持以随时满足转子磁极，从而使电机能生产较大的扭矩。

坐标转换、PI反复、返回变换和产生脉宽调制（PWM）的整个过程如图1所示，它描述了FOC控制所需的功能。该过程从测量三相电机电流开始。通过一系列座标转换，扭矩和磁通的时间不变量（在稳态负载条件下）可能间接决定和控制PI控制环路。利用I_d、I_q和每个参考值形成了误差信号。I_d参考控制转子磁化的磁通。

I_q参考控制电机的扭矩输出。该误差信号输入到PI控制器。控制器的输出端提供V_d和V_q，它是一个发送至电机的电压向量。根据电机速度、转子电气时间常数I_d和I_q计算出一个新的坐标转换角度。FOC算法使用新角度来设置下一个电压向量，以便为现在的工作条件产生一定量的误差。来自PI控制器的V_d和V_q输出值使用新角度转回至静止坐标系。这种计算提供了正交电压值v_a和v_b。接下来，v_a和v_b值是转变回三相值v_a、v_b和v_c。三相电压值用于计算产生期望电压向量的新的PWM占空比值。

图1. 直驱洗衣机PMSM电机的框图。

按照FOC算法，三相分开的PWM信号是使用空间向量调制（SVM）的正弦波形调制，并施加在电机的三相绕组。使用分流电阻器，可以监控每个绕组的电流并根据电机特性与电气模型进行比较。电机厂商提供了电机的绕组特性，虽然它们可以使用电感和绕组的阻值进行测量。转子位置计算是根据电机模型由间接测量反电动势（EMF）执行是。反电动势通过推断估计的电流提取自电机模型，该电流与测量的电流相等。

FOC的优势

采用FOC方法可以为PMSM电机电源管理提供许多好处。例如，FOC可改善PMSM电机的动态响应，有益于洗衣机等需要迅速响应速度变化来改变旋转和搅拌过程的电器。FOC通过实现较理想的扭矩，使使用更少的电流成为可能，因为它可以控制振幅和电流的相位，以保持定子和转子磁场呈90度。而且，由于FOC有助于控制所有PWM周期的电机电流，可以在根本上限制该电流。

传统的BLDC电机控制方法以六个步骤方式驱动定子，生成产生扭矩的振荡。在这种情况下，两个绕组均加上电压，直到转子到达下一个位置，然后电机换向到下一步（next step）。使用FOC，电机不断以一种正弦波形方式随电流的控制相位换向。因此，当电机旋转时，扭矩产生仍保持线性。由于扭矩产生继续不断换向，可以消除电机的扭矩波动，进而降低电机的机械振荡。这种机械振荡的减少可以在相当大的程度上减少可听见的噪声，有助于设计人员开发洗衣机等电器，使洗衣机和压缩机操作更加安静。

通过在电器设计中采用DSC，有可能开发出基于软件的电机系统，有助于迅速定制更新型号的产品来满足多个市场。例如，使用DSC和FOC算法的电机控制可以建立一个通用平台，能够处理不同型号的洗衣机。同样，空调和冰箱压缩机也可以利用单一平台实现。必须的唯一的变化就是FOC算法参数，而无需修改算法核心，控制板硬件或DSC。

白色家电：DSC推动家用电器节能

相关阅读: