無傳感器FOC控制提高電器電機(jī)控制設(shè)計(jì)

　　本文主要關(guān)注如何部署FOC來設(shè)計(jì)高效、安靜的洗衣機(jī)。通過分析洗衣機(jī)的構(gòu)造，可以了解為什么需要高效的電機(jī)控制技術(shù)。如圖1所示，最新型的洗衣機(jī)帶有一個(gè)滾筒單元，該結(jié)構(gòu)由BLDC電機(jī)或PMSM電機(jī)、電機(jī)控制器電路板、帶按鍵用戶界面電路板和顯示單元組成?？刂破麟娐钒搴陀脩艚缑骐娐钒蹇梢允褂么墟溌?如UART、SPI或?qū)Ｓ写袇f(xié)議)進(jìn)行通信，用以設(shè)置所需的洗滌負(fù)載、漂洗速度，以及處理其他命令。根據(jù)所接收到的命令，電機(jī)控制器電路板會(huì)調(diào)整電機(jī)速度和扭矩。電機(jī)http://bbsic.big-bit.com/是洗衣機(jī)中最主要的用電部件，用電量可達(dá)總用電量的85%。因此，對(duì)于PMSM控制的任何改進(jìn)，都可以顯著節(jié)省用電和成本。為此，高效的電機(jī)控制對(duì)于設(shè)計(jì)更好的電器非常關(guān)鍵。

　　圖1新型洗衣機(jī)的構(gòu)造

　　新型信號(hào)控制器促進(jìn)電器設(shè)計(jì)

　　半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)和功率電子開關(guān)的產(chǎn)生，它們可以用于設(shè)計(jì)變速電機(jī)。實(shí)際上，得益于DSC高效而高成本效益的電機(jī)功率管理，電器不再需要局限于使用一些定制的硬件和控制技術(shù)。例如，借助Microchip最新一代的dsPIC DSC系列，電器制造商現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)出顯著節(jié)省用電和成本的電機(jī)系統(tǒng)。這是因?yàn)閐sPIC DSC上包含專用于電機(jī)控制應(yīng)用的外設(shè)。這些外設(shè)包括電機(jī)控制脈寬調(diào)制(MCPWM)、高速ADC和可擴(kuò)展閃存程序存儲(chǔ)器。

　　此外，dsPIC DSC的DSP引擎還支持必需的快速數(shù)學(xué)運(yùn)算，用于執(zhí)行需要大量計(jì)算的控制循環(huán)。本文將討論如何通過dsPIC DSC使用FOC算法來控制洗衣機(jī)中的電機(jī)。在洗衣機(jī)中，dsPIC DSC用作電機(jī)控制電路板上的信號(hào)控制器。用戶界面模塊可以采用8位單片機(jī)(MCU)進(jìn)行處理，如Microchip的PIC16或PIC18系列MCU，可以針對(duì)三相感應(yīng)電機(jī)(ACIM)、三相無刷直流(BLDC)電機(jī)或永磁同步電機(jī)(PMSM)分別實(shí)現(xiàn)FOC算法。由于構(gòu)造方面的原因，PMSM電機(jī)的效率比ACIM電機(jī)高。以下將特別討論無傳感器FOC算法對(duì)于洗衣機(jī)中的PMSM電機(jī)是如何工作的。

　　為什么使用FOC算法?傳統(tǒng)的BLDC電機(jī)控制方法以六步方式驅(qū)動(dòng)定子，會(huì)導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩。在六步控制方式中，先對(duì)兩個(gè)繞組通電，直到轉(zhuǎn)子到達(dá)下一個(gè)位置，然后電機(jī)換向到下一步。霍爾傳感器用于確定轉(zhuǎn)子位置，以便對(duì)電機(jī)進(jìn)行電子換向。高級(jí)無傳感器FOC算法使用定子繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢來確定轉(zhuǎn)子位置。六步控制(也稱為梯形控制)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)本身就不適合用于洗衣機(jī)控制，因?yàn)橐粋€(gè)洗滌周期中的負(fù)載會(huì)動(dòng)態(tài)變化，并且實(shí)際負(fù)載還會(huì)因洗滌量和所選洗滌周期的不同而變化。此外，在前開式洗衣機(jī)中，當(dāng)負(fù)載位于滾筒頂側(cè)時(shí)，電機(jī)負(fù)載要克服重力做功。只有高級(jí)算法(如FOC)可以處理這些動(dòng)態(tài)負(fù)載變化。

　　FOC原理

　　FOC算法會(huì)產(chǎn)生矢量形式的3相電壓，用于控制三相定子電流。通過使用Park和Clarke變換將物理電流變換為旋轉(zhuǎn)矢量，轉(zhuǎn)矩和磁通分量不會(huì)隨時(shí)間變化(時(shí)間不變性)——使得可以與直流電機(jī)一樣，使用諸如比例積分(PI)控制器之類的傳統(tǒng)技術(shù)來進(jìn)行控制。根據(jù)設(shè)計(jì)，在有刷直流電機(jī)中，定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通之間的角度保持為90°，從而使電機(jī)產(chǎn)生可能的最大轉(zhuǎn)矩。通過使用FOC技術(shù)，電機(jī)電流變換為2軸矢量，就如直流電機(jī)中的電流。此過程的第一步是測量三相電機(jī)電流。在實(shí)際測量中，由于3個(gè)電流值的瞬時(shí)和為0，所以只需測量其中兩個(gè)電流，就可以確定第三個(gè)電流的值。此外，由于只需要兩個(gè)電流傳感器，因此還可以降低硬件成本。

　　Clarke變換

　　第一個(gè)變換稱為Clarke變換，將以定子作為參照物的3軸二維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為2軸坐標(biāo)系，并保持相同的參照物。如圖2所示，其中，Ia、Ib和Ic是各個(gè)相電流。

　　圖2 Clarke變換

　　此時(shí)，定子電流相量可以在使用α-β軸的2軸正交坐標(biāo)系上表示。下一步是變換為另一個(gè)2軸坐標(biāo)系，稱為d-q軸坐標(biāo)系，它會(huì)隨轉(zhuǎn)子磁通而旋轉(zhuǎn)，通過圖3所示的Park變換實(shí)現(xiàn)。

　　圖3 Park變換

　　當(dāng)正弦輸入電流施加到定子上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通。轉(zhuǎn)子的速度與旋轉(zhuǎn)磁通矢量直接相關(guān)。磁通矢量必須始終與轉(zhuǎn)子磁極保持對(duì)齊，以使電機(jī)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩。

　　圖4給出了整個(gè)過程的圖示，包括坐標(biāo)變換、PI迭代、逆變換和產(chǎn)生PWM，還描述了FOC控制所需的功能。誤差信號(hào)根據(jù)Id、Iq和各自的參考值而產(chǎn)生。Id參考電流控制轉(zhuǎn)子磁通。請(qǐng)記住，只有在負(fù)載穩(wěn)定的條件下，Id和Iq(代表轉(zhuǎn)矩和磁通)才具有時(shí)間不變性。Iq參考電流控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。PI控制器的輸出提供Vd和Vq，它們構(gòu)成發(fā)送到電機(jī)的電壓矢量。新的變換角根據(jù)由Park逆變換產(chǎn)生的電壓和由Park變換產(chǎn)生的電流進(jìn)行估計(jì)。

　　圖4 采用無傳感器FOC算法控制的直接驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)PMSM電機(jī)的應(yīng)用框圖

　　FOC算法使用新的變換角來確定下一個(gè)電壓矢量的位置。通過使用新的變換角，PI控制器的Vd和Vq輸出值被旋轉(zhuǎn)變換到靜止參考坐標(biāo)系。該計(jì)算產(chǎn)生正交電壓值vα和vβ。下一步，對(duì)vα和vβ值進(jìn)行逆變換，得到三相值va、vb和vc。三相電壓值用于計(jì)算新的PWM占空比值，產(chǎn)生所需的電壓矢量。

　　在FOC算法中，三相分離的PWM信號(hào)使用空間矢量調(diào)制(SVM)進(jìn)行正弦波調(diào)制，并施加到電機(jī)的三相繞組。通過使用分流電阻，可以監(jiān)視每個(gè)繞組中的電流，并將電流與基于電機(jī)特性的電氣模型進(jìn)行比較。電機(jī)供應(yīng)商會(huì)提供電機(jī)的繞組特性，雖然它們也可以使用繞組的電感和電阻值進(jìn)行測量。轉(zhuǎn)子位置通過基于電機(jī)模型間接測量反電動(dòng)勢(EMF)來計(jì)算。通過推導(dǎo)等于測量電流的估算電流，可以基于電機(jī)模型計(jì)算得到反電動(dòng)勢。