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

图4 采用无传感器FOC算法控制的直接驱动洗衣机PMSM电机的应用框图

FOC算法使用新的变换角来确定下一个电压矢量的位置。通过使用新的变换角，PI控制器的Vd和Vq输出值被旋转变换到静止参考坐标系。该计算产生正交电压值vα和vβ。下一步，对vα和vβ值进行逆变换，得到三相值va、vb和vc。三相电压值用于计算新的PWM占空比值，产生所需的电压矢量。

在FOC算法中，三相分离的PWM信号使用空间矢量调制（SVM）进行正弦波调制，并施加到电机的三相绕组。通过使用分流电阻，可以监视每个绕组中的电流，并将电流与基于电机特性的电气模型进行比较。电机供应商会提供电机的绕组特性，虽然它们也可以使用绕组的电感和电阻值进行测量。转子位置通过基于电机模型间接测量反电动势（EMF）来计算。通过推导等于测量电流的估算电流，可以基于电机模型计算得到反电动势。

采用FOC方法可以为PMSM电机功率管理带来许多好处。例如，FOC可以改善PMSM电机的动态响应，为诸如洗衣机之类需要快速响应速度变化（洗涤和甩干过程中）的电器带来好处。FOC支持以较低的电流产生最佳的转矩，因为它可以控制电流的幅值和相位，并使定子和转子磁场之间的角度保持90°。此外，由于FOC支持在每个PWM周期中控制电机电流，所以可以从根本上限制电流。
数字信号控制器让电机控制变得简单

dsPIC等先进的DSC使电器设计师可以改善电机系统。若采用无传感器FOC算法，DSC将非常适合于控制PMSM电机。这是因为dsPIC DSC及其片上外设可以高效地执行FOC算法，实现在PMSM电机中检测转子位置的无传感器方法。dsPICDSC快速而灵活的ADC支持电流检测，并提供了一些很有用的触发选项。例如，可以通过PWM模块触发ADC转换，从而支持低成本的电流检测电路：在特定的时间，开关晶体管允许电流流过检测电阻，由检测电阻对输入电流进行检测。关键的是，dsPICDSC的ADC具有同时捕捉多个信号的能力。通过这种功能，可以消除电机电流测量中，两个相电流采样之间的延时。

DSC的电机控制算法基于FOC算法来确定PWM占空比和输出模式。PWM最重要的功能是带可编程死区的互补通道。PWM可以采用边沿对齐或中间对齐。中间对齐PWM的优点是可以降低电器控制系统发射的电磁噪声（EMI）。

dsPICDSC系列的所有器件均提供了故障和诊断接口，它们包含一些输入线，可以在系统发生严重故障时关闭PWM。例如，如果洗衣机的搅拌器由于滚筒中衣物缠绕而受阻，应阻止电机继续旋转，否则衣物可能会被撕裂。这种阻塞会表现为电机控制系统的过电流现象而被检测到，并通过使用故障引脚关闭电机进行响应。通过添加诊断功能，可以记录和/或显示这些类型的故障，或者将它们传送到计算机中进行进一步的故障排除。这是非常重要的功能，因为它可以帮助防止硬性故障和缩短产品停机时间。
洗衣机系统设计

基于前面概述的FOC电机控制概念，现在可以讨论基于dsPICDSC的洗衣机系统设计。图5给出了电机控制系统的框图。可以通过以下方式设计用于电器的可变电源：首先，使用单相二极管桥式整流器将交流电源转换为直流。电压纹波使用一组电容滤除。该直流电压经过逆变，转换为具有可变频率的可变电压，并送到电机电源线。通过使用PWM技术，直流母线被调制为从逆变桥输出正弦电压。

图5 基于dsPIC DSC的洗衣机的系统框图

输入转换器部分中的整流桥将来自墙式电源插座的交流电压转换为直流电压。根据电器的类型，可能还会有EMI抑制模块。通常，使用NTC（负温度系数）电阻来防止涌入电流。高压尖峰使用金属氧化物变阻器（MOV）进行抑制。在二极管整流桥的输出端，使用一组电容来滤除直流纹波。

此外，输入转换器部分还具有有源PFC（功率因数校正）模块，使电路能符合一些欧洲能源法规。该有源PFC模块由一个电感、一个功率开关和一个二极管组成。DSC的ADC用于测量来自直流母线的电流和电压值。基于这些输入，DSC使用PWM模块来控制功率开关。实现方法是在DSC中执行PID循环，使PF值保持接近于1。

输出逆变器部分具有一个电压源逆变器，每个相位对应有两个功率开关，每个开关的两端均连接有续流二极管。电机绕组连接到开关的中间位置。来自“输入转换器模块”的直流电压使用该输出逆变器进行合成，获得用于控制电机的变压变频电源。
DSC与洗衣机的接口

通过访问DSC的专用片上外设，可以简便地实现控制算法。图6给出了基于dsPIC DSC控制器的洗衣机接口示例。DSC的ADC通道可以用于测量电机电流、电机温度和散热器温度（连接到功率开关）。根据应用的需求，还可以使用其他ADC通道来测量温度或电流。