注1：本文描述的FOC技術(shù)使用Microchip的dsPIC? DSC，該技術(shù)已經(jīng)在基于PMSM電機(jī)的垂直軸直接驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。理論上，在進(jìn)行一些調(diào)整之后，同一FOC算法也可用于水平軸洗衣機(jī)。
       對于大多數(shù)電器制造商來說，提高電器效率和降低可聞噪聲是最優(yōu)先考慮的事項(xiàng)。通常，政府通過嚴(yán)格的法規(guī)來推動(dòng)對效率的要求。然后，有一些消費(fèi)者會 愿意引領(lǐng)潮流，以相對較高的價(jià)格購買"更綠色"的電器。這驅(qū)使電器制造商研究相應(yīng)的解決方案，解決效率和可聞噪聲方面的問題，同時(shí)讓增加的整體系統(tǒng)成本保 持最低。例如，電器制造商希望設(shè)計(jì)出可以快速響應(yīng)速度變化（包括洗滌和甩干兩個(gè)過程）的洗衣機(jī)。一些高級電機(jī)控制技術(shù)，例如磁場定向控制（Field Oriented Control，F(xiàn)OC）（也稱為矢量控制），可以幫助設(shè)計(jì)出更加安靜節(jié)能的洗衣機(jī)。

洗衣機(jī)控制拓?fù)?br/>

       在本文中，我們主要關(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)。最新型的洗衣機(jī) （見圖1）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? 板可以使用串行鏈路（例如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 制器電路板會調(diào)整電機(jī)速度和扭矩。電機(jī)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)控制對于設(shè)計(jì)更好的電器非常關(guān)鍵。

圖1：高級電機(jī)控制算法使最新型洗衣機(jī)可以更加高效和安靜最新型信號控制器促進(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)。特別是，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)镸icrochip dsPIC 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）、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和可擴(kuò)展閃存程序存儲器。
       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)。我們將討論如何通過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，例如Microchip的PIC16或PIC18系列 MCU?？梢葬槍?相感應(yīng)電機(jī)（ACIM）、3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算法對于洗衣機(jī)中的PMSM電機(jī)如何工作。
       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，會導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩。在六步控制方式中，先對兩個(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?；魻杺鞲衅饔糜诖_定轉(zhuǎn)子位置，以便對電機(jī)進(jìn)行電子換向。高級無傳感器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)載會動(dòng)態(tài)變化，并且實(shí)際負(fù)載還會因洗滌量和所選洗 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。只有高級算法（例如FOC）可以處理這些動(dòng)態(tài)負(fù)載變化。
FOC原理
       FOC算法會產(chǎn)生矢量形式的3相電壓，用于控制3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（見圖2和3），轉(zhuǎn)矩 和磁通分量不會隨時(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度，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3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（見圖3，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，它會隨轉(zhuǎn)子磁通而旋轉(zhuǎn)。這通過Park變換實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3：Park變換

       當(dāng)正弦輸入電流施加到定子上時(shí)，會產(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。圖4還描述了FOC控制所需的功能。誤差信號根據(jù)Id、Iq和它們各自 的參考值而產(chǎn)生。Id參考電流控制轉(zhuǎn)子磁通。請記住，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)。
       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v和vβ。下一步，對
v和vβ值進(jìn)行逆變換，得到3相值v、vβ和vc。3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。

       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)用框圖在FOC算法中，3相分離的 PWM信號使用空間矢量調(diào)制（SVM）進(jìn)行正弦波調(diào)制，并施加到電機(jī)的3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。
       采用FOC方法可以為PMSM電機(jī)功率管理帶來許多好處。例如，F(xiàn)OC可以改善PMSM電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為諸如洗衣機(jī)之類需要快速響應(yīng)速度變化 （洗滌和甩干過程中）的電器帶來好處。FOC支持以較低的電流產(chǎn)生最佳的轉(zhuǎn)矩，因?yàn)樗梢钥刂齐娏鞯姆岛拖辔?，并使定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的角度保持90 度。此外，由于FOC支持在每個(gè)PWM周期中控制電機(jī)電流，所以可以從根本上限制電流。
dsPIC DSC讓電機(jī)控制變得簡單
       Microchip Technology的dsPIC DSC使電器設(shè)計(jì)師可以改善電機(jī)系統(tǒng)。若采樣無傳感器FOC算法，DSC將非常適合于控制PMSM電機(jī)（見圖4）。這是因?yàn)閐sPIC DSC及其片上外設(shè)可以高效地執(zhí)行FOC算法，實(shí)現(xiàn)在PMSM電機(jī)中檢測轉(zhuǎn)子位置的無傳感器方法。dsPIC DSC快速而靈活的ADC支持電流檢測，并提供了一些很有用的觸發(fā)選項(xiàng)。例如，可以通過PWM模塊觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，從而支持低成本的電流檢測電路：在特定 的時(shí)間，開關(guān)晶體管允許電流流過檢測電阻，由檢測電阻對輸入電流進(jìn)行檢測。關(guān)鍵的是，dsPIC DSC的ADC具有同時(shí)捕捉多個(gè)信號的能力。通過這種功能，可以消除電機(jī)電流測量中，兩個(gè)相電流采樣之間的延時(shí)。
       DSC的電機(jī)控制算法基于FOC算法來確定PWM占空比和輸出模式。PWM最重要的功能是帶可編程死區(qū)的互補(bǔ)通道。PWM可以采用邊沿對齊或中間對齊。中間對齊PWM的優(yōu)點(diǎn)是可以降低電器控制系統(tǒng)發(fā)射的電磁噪聲（EMI）。
       dsPIC DSC系列的所有器件均提供了故障和診斷接口，它們包含一些輸入線，可以在系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)關(guān)閉PWM。例如，如果洗衣機(jī)的攪拌器由于滾筒中衣物纏繞而 受阻，應(yīng)阻止電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，否則衣物可能會被撕裂。這種阻塞會表現(xiàn)為電機(jī)控制系統(tǒng)的過電流現(xiàn)象而被檢測到，并通過使用故障引腳關(guān)閉電機(jī)進(jìn)行響應(yīng)。通過添加 診斷功能，可以記錄和/或顯示這些類型的故障，或者將它們傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的故障排除。這是非常重要的功能，因?yàn)樗梢詭椭乐褂残怨收虾涂s短產(chǎn) 品停機(jī)時(shí)間。
洗衣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
       基于前面概述的FOC電機(jī)控制概念，現(xiàn)在可以討論基于dsPIC DSC的洗衣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖5給出了電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖表示?？梢酝ㄟ^以下方式設(shè)計(jì)用于電器的可變電源：首先，使用單相二極管橋式整流器將交流電源轉(zhuǎn)換為直流。電壓紋波使用一組電容濾除。該直流電壓經(jīng)過逆變，轉(zhuǎn)換為具有可變頻率的可變電壓，并送到電機(jī)電源線。通過使用PWM技術(shù)，直流母線被調(diào)制為從逆變橋輸出正弦電壓。

圖5：基于dsPIC DSC的洗衣機(jī)的系統(tǒng)框圖

       輸入轉(zhuǎn)換器部分中的整流橋?qū)碜詨κ诫娫床遄慕涣麟妷恨D(zhuǎn) 換為直流電壓。根據(jù)電器的類型，可能還會有EMI抑制模塊。通常，使用NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻來防止涌入電流。高壓尖峰使用金屬氧化物變阻器（MOV） 進(jìn)行抑制。在二極管整流橋的輸出端，使用一組電容來濾除直流紋波。
       此外，輸入轉(zhuǎn)換器部分還具有有源PFC（功率因數(shù)修正）模塊，使電路能符合一些歐洲能源法規(guī)。該有源PFC模塊由一個(gè)電感、一個(gè)功率開關(guān)和一個(gè)二 極管組成。DSC的ADC用于測量來自直流母線的電流和電壓值?；谶@些輸入，DSC使用PWM模塊來控制功率開關(guān)。實(shí)現(xiàn)方法是在DSC中執(zhí)行PID循 環(huán)，使PF值保持接近于1。
       輸出逆變器部分具有一個(gè)電壓源逆變器，每個(gè)相位對應(yīng)有兩個(gè)功率開關(guān)，每個(gè)開關(guān)的兩端均連接有續(xù)流二極管。電機(jī)繞組連接到開關(guān)的中間位置。來自“輸入轉(zhuǎn)換器模塊”的直流電壓使用該輸出逆變器進(jìn)行合成，獲得用于控制電機(jī)的變壓變頻電源。
DSC與洗衣機(jī)的接口
       通過訪問DSC的專用片上外設(shè)，可以簡便地實(shí)現(xiàn)控制算法。圖6給出了基于dsPIC DSC控制器的洗衣機(jī)接口示例。DSC的ADC通道可以用于測量電機(jī)電流、電機(jī)溫度和散熱器溫度（連接到功率開關(guān)）。根據(jù)應(yīng)用的需求，還可以使用其他 ADC通道來測量溫度或電流，如圖6所示。

圖6：在洗衣機(jī)中用作系統(tǒng)控制器的DSC

       通用輸入與輸出（I/O）用于接口開關(guān)和LCD或LED顯示。在一些應(yīng)用中，系統(tǒng)可以使用單個(gè)控制器來同時(shí)處理電機(jī)和系統(tǒng)控制。此外，還可以使用dsPIC DSC上的串行端口進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，以及診斷系統(tǒng)中的任意故障。
保護(hù)電器IP
       在當(dāng)今的全球化設(shè)計(jì)環(huán)境中，可能會有多個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分布在多個(gè)設(shè)計(jì)地點(diǎn)，共同協(xié)作設(shè)計(jì)一系列電器。例如，用于洗衣機(jī)控制的FOC可能在地點(diǎn)A開發(fā)； 面板設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)可能在地點(diǎn)B進(jìn)行；而在地點(diǎn)C，系統(tǒng)集成商對電器進(jìn)行最終的組裝和測試。所有這些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將具有他們自己的唯一IP，他們希望自己的 IP可以受到保護(hù)。由于預(yù)期到這種需求，Microchip的dsPIC DSC系列提供了CodeGuard?安全功能，它支持在需要進(jìn)行協(xié)作設(shè)計(jì)的環(huán)境中保護(hù)IP。
結(jié)論
       通過在電器設(shè)計(jì)中使用DSC，可以實(shí)現(xiàn)高效的無傳感器FOC算法。通過采用FOC，在PMSM電機(jī)應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的高效率。此外，由 于FOC可以協(xié)助控制定子電流，從而極大地減少了轉(zhuǎn)矩紋波，所以可以設(shè)計(jì)出更安靜的洗衣機(jī)。這可以幫助節(jié)省用電，響應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)載變化，同時(shí)降低可聞噪聲。
       Microchip的dsPIC DSC可以使洗衣機(jī)變得更加高效。利用通用的dsPIC DSC生產(chǎn)平臺，電器制造商可以方便地推出一系列使用PMSM電機(jī)和FOC電機(jī)控制算法的洗衣機(jī)。通過這些基于軟件的電機(jī)控制設(shè)計(jì)，電器制造商可以針對多 種市場，快速地定制更新的電器型號。在這些情況下，唯一需要更改的只是FOC算法參數(shù)和控制的電源部分。