通过无传感器FOC控制提高电器电机控制的效率和成本效益

通过无传感器FOC控制提高电器电机控制的效率和成本效益 通过无传感器FOC控制 提高电器电机控制的效率和成本效益 ___________________________________________________ Padmaraja Yedamale 首席应用工程师 家电解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 部 Microchip Technology Inc注1:本文描述的FOC技术使用Microchip的dsPIC DSC,该技术已经在基于PMSM电机的 垂直轴直接驱动洗衣机上进行了试验。理论上,在进行一些调整之后,同一FOC算法也 可用于水平轴洗衣机。 对于大多数电器制造商来说,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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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,例如磁场定向控制(Field Oriented Control,FOC)(也称为 矢量控制),可以帮助设计出更加安静节能的洗衣机。 洗衣机控制拓扑 在本文中,我们主要关注如何部署 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。最新型的洗衣机(见图 1)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 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 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(例如 UART、SPI 或专有串行 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 )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。 1图 1:高级电机控制算法使最新型洗衣机可以更加高效和安静。最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。特别是,借助 Microchip 最新一代的dsPIC DSC 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 Microchip dsPIC DSC 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)、高速模数转换器(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。我们将讨论如何通过 dsPIC DSC 使用 FOC 算法来控制洗衣机中的电机。在洗 衣机中,dsPIC DSC 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,例如 Microchip 的 PIC16 或 PIC18 系列 MCU。可以针对 3 相 感应电机(ACIM)、3 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 电机如何工作。 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 2 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 (例如 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3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(见图2和3),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度,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3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(见图 3,其中,Ia、Ib和Ic是各个相电流)。 图 2:Clarke 变换 3 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。这通过Park 变换实现, 如图3所示。 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。图 4 还描 述了 FOC 控制所需的功能。误差信号根据 Id、Iq和它们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。I 参考电流控制电机的转矩输出。PI 控制器的输出提供 V和V,它 q d q 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。 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 v和v 。? 下一步,对 v和v 值进行逆变换,得到 3 相值 va、vb和vc。3 相电压值用 于计算新的? PWM 占空比值,产生所需的电压矢量。4图4:采用无传感器FOC算法控制的直接驱动洗衣机PMSM电机的应用框图在 FOC 算法中,3 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 3 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度。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。 dsPIC DSC让电机控制变得简单 Microchip Technology的dsPIC DSC使电器设计师可以改善电机系统。若采样无传感器 FOC算法,DSC将非常适合于控制PMSM电机(见图4)。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。dsPIC DSC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,dsPIC DSC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。 5 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)。 dsPIC DSC 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 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 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 dsPIC DSC 的洗衣机系统设计。 图 5 给出了电机控制系统的框图表示。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。6 此外,输入转换器部分还具有有源 PFC(功率因数修正)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,如图 6 所示。 图 6:在洗衣机中用作系统控制器的 DSC通用输入与输出(I/O)用于接口开关和 LCD 或 LED 显示。在一些应用中,系统可以使 用单个控制器来同时处理电机和系统控制。此外,还可以使用 dsPIC DSC 上的串行端 口进行系统校准,以及诊断系统中的任意故障。 保护电器 IP 在当今的全球化设计环境中,可能会有多个设计团队分布在多个设计地点,共同协作 设计一系列电器。例如,用于洗衣机控制的 FOC 可能在地点 A 开发;面板设计和电子 7