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2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 第1 页
AN1078
简介
设计者根据对环境的需求,希望能不断开拓高级电机控
制技术,用以制造节能空调、洗衣机和其他家用电器产
品。 到目前为止,较为完善的电机控制解决方案通常仅
用作专门用途。 然而,新一代数字信号控制器 (Digital
Signal Controller,DSC)的出现使得性价比高的高级电
机控制算法最终成为现实。
例如,空调需要能够对温度作出快速响应以迅速改变电
机的转速。 因此,我们需要高级电机控制算法,以制造
出更加节能的静音设备。 在这种情况下,磁场定向控制
(Field Oriented Control, FOC)脱颖而出,成为满足
这些环境需求的主要方法。
本应用笔记讨论了使用 Microchip dsPIC
®
DSC 系列对
永磁同步电机 (Permanent Magnet Synchronous
Motor, PMSM)进行无传感器 FOC 的算法。
为什么使用 FOC 算法?
BLDC 电机的传统控制方法是以一个六步的控制过程来
驱动定子,而这种控制过程会使生成的转矩产生振荡。
在六步控制过程中,给一对绕组通电直到转子达到下一
位置,然后电机换相到下一步。 霍尔传感器用于确定转
子的位置,以采用电子方式给电机换相。 高级的无传感
器算法使用在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)的动态响应并不适用于洗
衣机,这是因为在洗涤过程中负载始终处于动态变化
中,并随实际洗涤量和选定的洗涤模式不同而变化。 而
且,对于前开式洗衣机,当负载位于滚筒的顶部时,必
须克服重力对电机负载作功。 只有使用高级的算法如
FOC 才可处理这些动态负载变化。
本应用笔记着重于适用于电器的基于PMSM的无传感器
FOC 控制,这是因为该控制技术在电器的电机控制方面
有着无可比拟的成本优势。 无传感器 FOC 技术也克服
了在某些应用上的限制,即由于电机被淹或其线束放置
位置的限制等问题,而无法部署位置或速度传感器。 由
于PMSM使用了由转子上的永磁体所产生的恒定转子磁
场,因此它尤其适用于电器产品。 此外,其定子磁场是
由正弦分布的绕组产生的。 与感应电机相比,PMSM 在
其尺寸上具有无可比拟的优势。 由于使用了无刷技术,
这种电机的电噪音也比直流电机小。
为什么使用数字信号控制器来进行电机控
制?
dsPIC DSC 尤其适用于类似于洗衣机和空调压缩机之
类的电器,因为数字信号控制器具有下列特别适用于电
机控制的外设:
• 脉宽调制 (Pulse-Width Modulation, PWM)
• 模数转换器 (Analog-to-Digital Converter,
ADC)
• 正交编码器接口 (Quadrature Encoder
Interface, QEI)
在执行控制器程序以及实现数字滤波器时,由于 MAC
指令和小数运算可在一个周期内执行,因此 dsPIC DSC
器件允许设计者对代码进行优化。 同时,对于那些需要
饱和功能的运算,dsPIC DSC 器件通过提供硬件饱和保
护以避免溢出。
dsPIC DSC 需要快速且灵活的模数(A/D)转换来检测
电流——电机控制中的关键功能。 dsPIC DSC器件特有
的 ADC 可以 1 Msps 的速率转换采样输入,并可最多同
时处理四路输入。 ADC 上的多触发选项可允许使用廉
价的电流检测电阻来测量绕组电流。例如,使用 PWM
模块触发 A/D 转换可允许廉价的电流检测电路在指定时
间内对输入进行检测 (开关晶体管使电流流过检测电
阻)。
作者:
Jorge Zambada
和
Debraj Deb
Microchip Technology Inc.
PMSM 的无传感器磁场定向控制
AN1078
DS01078B_CN 第2 页 2010 Microchip Technology Inc.
使用数字信号控制器进行电机控制
dsPIC DSC 电机控制系列是针对最常用的电机而设计
的,包括:
• 交流感应电机 (AC Induction Motor, ACIM)
• 直流有刷电机 (Brushed DC Motor, BDC)
• 直流无刷电机 (Brushless DC Motor, BLDC)
• 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous
Motor, PMSM)
已发表了一些基于 dsPIC DSC 电机控制系列的应用笔
记(见“参考文献”)。 这些应用笔记可从 Microchip
网站 (www.microchip.com)获取。
本应用笔记说明了 dsPIC DSC 如何利用特别适合电机
控制的外设 (电机控制 PWM 和高速 ADC)来执行
PMSM 的无传感器磁场定向控制。dsPIC DSC 的 DSP
引擎支持必要且快速的数学运算。
数据监视和控制界面
数据监视和控制界面 (Data Monitor and Control
Interface,DMCI)能够与 MPLAB
®
IDE 快速动态集成,
可通过这一个界面对 IDE 项目中的范围值、开 / 关状态
或离散值进行变量控制以对应用的运行加以限制。 如果
需要,应用反馈可以图形方式来表示。提供电机控制和
音频处理方面的应用示例。
DMCI 可提供:
• 9 个滑块和 9 个布尔量 (开 / 关)控制 (见图 1)
• 35 路输入控制 (见图 2)
• 4 个图 (见图 3)
该界面提供了可识别项目的程序符号 (变量)导航,这
些符号可被动态地分配给滑块控制、直接输入控制或布
尔量控制的任意组合。随后这些控制可交互地用来更改
MPLAB IDE 中的程序变量值。 这些图也可动态地进行
配置以查看程序所生成的数据。
应用重点
本应用笔记的目的在于说明使用 Microchip 数字信号控
制器,以软件的方式实现 PMSM 的无传感器磁场定向控
制。
该控制软件具有如下特征:
• 实现 PMSM 的矢量控制。
• 位置和速度估算算法可避免使用位置传感器。
• 测试得到速度范围从 500 到 17000 RPM。
• 当控制环周期为 50 µs 时,软件需要约 21 个
MIPS 的 CPU 开销 (占 CPU 总体开销的 2/3)。
• 应用程序需要 450 字节的数据存储空间。 包含用
户界面在内一共需要大约 6K 字节的程序存储空
间。 根据对存储空间的需求,应用程序应可在
dsPIC33FJ12MC202 上运行,目前为止,此器件
是体积最小且最具成本效益的 dsPIC33F 器件。
• 启用可选的诊断模式以在示波器上对内部程序变量
进行实时观察。 该功能可便于对控制环进行调整。
注: DMCI 工具的特性可能会有所变化。 关于
DMCI 工具的说明,以其发布日期为准。
2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 第3 页
AN1078
图 1: 动态数据控制界面
图 2: 用户自定义数据输入控制
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DS01078B_CN 第4 页 2010 Microchip Technology Inc.
图 3: 图形数据视图
2010 Microchip Technology Inc. DS01078B_CN 第5 页
AN1078
系统概述
如图 4 所示,在电机轴上没有安装位置传感器。 而使用
低自感系数的分流电阻(逆变器的一部分)来测量电机
上的电流。 三相逆变器被用作功率级来驱动电机绕组。
电源逆变器内置的电流检测和故障生成电路可防止整个
系统受到过电流的损坏。
图 5 说明了如何实现 3 相拓扑以及电流检测和故障生成
电路。
逆变器左边的第一个晶体管用于功率因数校正 (Power
Factor Correction, PFC),本应用笔记中不作具体介
绍。
本应用笔记中所涉及的硬件是dsPICDEM™ MCLV开发
板(DM330021)(用于电压最高为 50 V
DC 的场合),
以及 dsPICDEM™ MCHV 开发板 (DM330023)(用
于电压最高为 400 V
DC 的场合),两者均可从 Microchip
网站 (www.microchip.com)订购。
图 4: 系统概述
图 5: 3 相拓扑
PWM1H
PWM1L
PWM2H
PWM2L
PWM3H
PWM3L
3 相逆变器
AN0
AN1
RB8
Ia
Ib
过流
3 相
PMSM
VR1
速度给定
AN8
S2启动 / 停止
RA8
dSPIC33FJ32MC204
用户接口
PWM1H
PWM1L
PWM2H
PWM2L
PWM3H
PWM3L
115/230
VAC
PMSM
I
a
I
b
<
电流
故障
可选功率因素校正
限制
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haifanyuntian
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