注1：本文描述的FOC技術使用Microchip的dsPIC? DSC，該技術已經(jīng)在基于PMSM電機的垂直軸直接驅(qū)動洗衣機上進行了試驗。理論上，在進行一些調(diào)整之后，同一FOC算法也可用于水平軸洗衣機。
       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。通常，政府通過嚴格的法規(guī)來推動對效率的要求。然后，有一些消費者會 愿意引領潮流，以相對較高的價格購買"更綠色"的電器。這驅(qū)使電器制造商研究相應的解決方案，解決效率和可聞噪聲方面的問題，同時讓增加的整體系統(tǒng)成本保 持最低。例如，電器制造商希望設計出可以快速響應速度變化（包括洗滌和甩干兩個過程）的洗衣機。一些高級電機控制技術，例如磁場定向控制（Field Oriented Control，F(xiàn)OC）（也稱為矢量控制），可以幫助設計出更加安靜節(jié)能的洗衣機。

洗衣機控制拓撲

       在本文中，我們主要關注如何部署FOC來設計高效、安靜的洗衣機。通過分析洗衣機的構(gòu)造，可以了解為什么需要高效的電機控制技術。最新型的洗衣機 （見圖1）帶有一個滾筒單元，該結(jié)構(gòu)由BLDC電機或PMSM電機、電機控制器電路板、帶按鍵用戶界面電路板和顯示單元組成。控制器電路板和用戶界面電路 板可以使用串行鏈路（例如UART、SPI或?qū)Ｓ写袇f(xié)議）進行通信，用以設置所需的洗滌負載、漂洗速度，以及處理其他命令。根據(jù)所接收到的命令，電機控 制器電路板會調(diào)整電機速度和扭矩。電機是洗衣機中最主要的用電部件，用電量可達總用電量的85%。因此，對于PMSM控制的任何改進，都可以顯著節(jié)省用電 和成本。為此，高效的電機控制對于設計更好的電器非常關鍵。

圖1：高級電機控制算法使最新型洗衣機可以更加高效和安靜最新型信號控制器促進電器設計
       半導體技術的發(fā)展促進了數(shù)字信號控制器（DSC）和功率電子開關的產(chǎn)生，它們可以用于設計變速電機。實際上，得益于DSC高效而高成本效益的電機 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。特別是，借助Microchip最新一代的dsPIC? DSC系列，電器制造商現(xiàn)在可以設計出顯著節(jié)省用電和成本的電機系統(tǒng)。這是因為Microchip dsPIC DSC上包含專用于電機控制應用的外設。這些外設包括電機控制脈寬調(diào)制（MCPWM）、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和可擴展閃存程序存儲器。
       此外，dsPIC DSC的DSP引擎還支持必需的快速數(shù)學運算，用于執(zhí)行需要大量計算的控制循環(huán)。我們將討論如何通過dsPIC DSC使用FOC算法來控制洗衣機中的電機。在洗衣機中，dsPIC DSC用作電機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（MCU）進行處理，例如Microchip的PIC16或PIC18系列 MCU。可以針對3相感應電機（ACIM）、3相無刷直流（BLDC）電機或永磁同步電機（PMSM）分別實現(xiàn)FOC算法。由于構(gòu)造方面的原因，PMSM 電機的效率比ACIM電機高。以下將特別討論無傳感器FOC算法對于洗衣機中的PMSM電機如何工作。
       為什么使用FOC算法？傳統(tǒng)的BLDC電機控制方法以六步方式驅(qū)動定子，會導致輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)振蕩。在六步控制方式中，先對兩個繞組通電，直到轉(zhuǎn)子 到達下一個位置，然后電機換向到下一步。霍爾傳感器用于確定轉(zhuǎn)子位置，以便對電機進行電子換向。高級無傳感器FOC算法使用定子繞組中產(chǎn)生的反電動勢來確 定轉(zhuǎn)子位置。六步控制（也稱為梯形控制）的動態(tài)響應本身就不適合用于洗衣機控制，因為一個洗滌周期中的負載會動態(tài)變化，并且實際負載還會因洗滌量和所選洗 滌周期的不同而變化。此外，在前開式洗衣機中，當負載位于滾筒頂側(cè)時，電機負載要克服重力做功。只有高級算法（例如FOC）可以處理這些動態(tài)負載變化。
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間變化（時間不變性）——使得可以與直流電機一樣，使用諸如比例積分（PI）控制器之類的傳統(tǒng)技術來進行控制。根據(jù)設計，在有刷直流電 機中，定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通之間的角度保持為90度，從而使電機產(chǎn)生可能的最大轉(zhuǎn)矩。通過使用FOC技術，電機電流變換為2軸矢量，就如直流電機中的電流。 此過程的第一步是測量3相電機電流。在實際測量中，由于3個電流值的瞬時和為0，所以只需測量其中兩個電流，就可以確定第三個電流的值。此外，由于只需要 兩個電流傳感器，因此還可以降低硬件成本。
Clarke變換
       第一個變換（稱為Clarke變換）將以定子作為參照物的3軸二維坐標系轉(zhuǎn)換為2軸坐標系，并保持相同的參照物（見圖3，其中，Ia、Ib和Ic是各個相電流）。

圖2：Clarke變換

       此時，定子電流相量可以在使用α-β軸的2軸正交坐標系上表示。下一步是變換為另一個2軸坐標系，稱為d-q軸坐標系，它會隨轉(zhuǎn)子磁通而旋轉(zhuǎn)。這通過Park變換實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3：Park變換

       當正弦輸入電流施加到定子上時，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。磁通矢量必須始終與轉(zhuǎn)子磁極保持對齊，以使電機產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩。
       圖4給出了整個過程的圖示，包括坐標變換、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，只有在負載穩(wěn)定的條件下，Id和Iq（代表轉(zhuǎn)矩和磁通）才具有時間不變性。Iq參考電流控制電機的轉(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)生的電流進行估 計。
       FOC算法使用新的變換角來確定下一個電壓矢量的位置。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系。該計算產(chǎn)生正交電壓值v和vβ。下一步，對
v和vβ值進行逆變換，得到3相值v、vβ和vc。3相電壓值用于計算新的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)動洗衣機PMSM電機的應用框圖在FOC算法中，3相分離的 PWM信號使用空間矢量調(diào)制（SVM）進行正弦波調(diào)制，并施加到電機的3相繞組。通過使用分流電阻，可以監(jiān)視每個繞組中的電流，并將電流與基于電機特性的 電氣模型進行比較。電機供應商會提供電機的繞組特性，雖然它們也可以使用繞組的電感和電阻值進行測量。轉(zhuǎn)子位置通過基于電機模型間接測量反電動勢 （EMF）來計算。通過推導等于測量電流的估算電流，可以基于電機模型計算得到反電動勢。
       采用FOC方法可以為PMSM電機功率管理帶來許多好處。例如，F(xiàn)OC可以改善PMSM電機的動態(tài)響應，為諸如洗衣機之類需要快速響應速度變化 （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，因為它可以控制電流的幅值和相位，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PWM周期中控制電機電流，所以可以從根本上限制電流。
dsPIC DSC讓電機控制變得簡單
       Microchip Technology的dsPIC DSC使電器設計師可以改善電機系統(tǒng)。若采樣無傳感器FOC算法，DSC將非常適合于控制PMSM電機（見圖4）。這是因為dsPIC DSC及其片上外設可以高效地執(zhí)行FOC算法，實現(xiàn)在PMSM電機中檢測轉(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。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 的時間，開關晶體管允許電流流過檢測電阻，由檢測電阻對輸入電流進行檢測。關鍵的是，dsPIC DSC的ADC具有同時捕捉多個信號的能力。通過這種功能，可以消除電機電流測量中，兩個相電流采樣之間的延時。
       DSC的電機控制算法基于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)生嚴重故障時關閉PWM。例如，如果洗衣機的攪拌器由于滾筒中衣物纏繞而 受阻，應阻止電機繼續(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閉電機進行響應。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算機中進行進一步的故障排除。這是非常重要的功能，因為它可以幫助防止硬性故障和縮短產(chǎn) 品停機時間。
洗衣機系統(tǒng)設計
       基于前面概述的FOC電機控制概念，現(xiàn)在可以討論基于dsPIC DSC的洗衣機系統(tǒng)設計。圖5給出了電機控制系統(tǒng)的框圖表示。可以通過以下方式設計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，并送到電機電源線。通過使用PWM技術，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模塊由一個電感、一個功率開關和一個二 極管組成。DSC的ADC用于測量來自直流母線的電流和電壓值。基于這些輸入，DSC使用PWM模塊來控制功率開關。實現(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電壓源逆變器，每個相位對應有兩個功率開關，每個開關的兩端均連接有續(xù)流二極管。電機繞組連接到開關的中間位置。來自“輸入轉(zhuǎn)換器模塊”的直流電壓使用該輸出逆變器進行合成，獲得用于控制電機的變壓變頻電源。
DSC與洗衣機的接口
       通過訪問DSC的專用片上外設，可以簡便地實現(xiàn)控制算法。圖6給出了基于dsPIC DSC控制器的洗衣機接口示例。DSC的ADC通道可以用于測量電機電流、電機溫度和散熱器溫度（連接到功率開關）。根據(jù)應用的需求，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）用于接口開關和LCD或LED顯示。在一些應用中，系統(tǒng)可以使用單個控制器來同時處理電機和系統(tǒng)控制。此外，還可以使用dsPIC DSC上的串行端口進行系統(tǒng)校準，以及診斷系統(tǒng)中的任意故障。
保護電器IP
       在當今的全球化設計環(huán)境中，可能會有多個設計團隊分布在多個設計地點，共同協(xié)作設計一系列電器。例如，用于洗衣機控制的FOC可能在地點A開發(fā)； 面板設計和電子設計可能在地點B進行；而在地點C，系統(tǒng)集成商對電器進行最終的組裝和測試。所有這些設計團隊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。由于預期到這種需求，Microchip的dsPIC DSC系列提供了CodeGuard?安全功能，它支持在需要進行協(xié)作設計的環(huán)境中保護IP。
結(jié)論
       通過在電器設計中使用DSC，可以實現(xiàn)高效的無傳感器FOC算法。通過采用FOC，在PMSM電機應用中，可以實現(xiàn)高達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，所以可以設計出更安靜的洗衣機。這可以幫助節(jié)省用電，響應動態(tài)負載變化，同時降低可聞噪聲。
       Microchip的dsPIC DSC可以使洗衣機變得更加高效。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電機和FOC電機控制算法的洗衣機。通過這些基于軟件的電機控制設計，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。