通过无传感器FOC控制提高家电电机控制的效率和成本效益

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串行链路（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计更好的电器非常关键。

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，它们可以用于设计变速电机。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dsPICDSC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dsPICDSC上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速数学运算，用于执行需要大量计算的控制循环。本文将讨论如何通过dsPICDSC使用FOC算法来控制洗衣机中的电机。在洗衣机中，dsPICDSC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。由于构造方面的原因，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，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Clarke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）——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。此过程的第一步是测量三相电机电流。在实际测量中，由于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，由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，Ia、Ib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α-β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。新的变换角根据由Park逆变换产生的电压和由Park变换产生的电流进行估计。