基于数字信号控制器的智能家电解决方案

　　利用单个DSP控制器集成

　　多种系统功能

　　先进的新型DSP控制器能让系统设计人员选择效率更高的电动马达，例如无刷直流马达(BLDC)或永磁同步马达(PMSM)等驱动装置。这些马达提供多项胜过有刷马达和交流感应马达的优势。无刷直流马达的转子结构较轻，所以效率更高、操作更安静、加速也更快。一款专为省电和省水洗衣机设计的无刷直流马达控制电路如图1所示。这个控制电路以一颗DSP控制器为，不仅能控制主要驱动马达的操作，还有充裕的效能管理，可辅助水泵和螺线管等组件，以便提供水量和洗衣精剂量控制等其它功能。该控制器还能执行有源功率因数校 正，让家电产品从交流输入电源汲取更多电力。

　　控制器的主要工作是产生多种高频、高分辨率的脉宽调制(PWM)信号，另外，它还必须具备充分的运算能力来执行先进算法，以便将转矩纹波减至、进行线上参数调整并提供的转速控制。除此之外，还必须缩小设计体积并减少组件数量，使它更容易生产制造。

　　DSP控制器内置多种功能以便执行前述所有工作，包括1个40MIPS的16位定点DSP内核、16个以上的PWM通道、4个通用定时器、1个含有16个多路复用输入通道的10位模数转换器、编码器接口、串行通信接口、SPI连接端口以及1个看门狗定时器。该器件的PWM输出数目足以控制1个三相电压源逆变器，而前端升压转换器则能实现有源功率因数校正电路。剩下的PWM通道可用于其它功能，例如热水器伺服系统和辅助马达驱动装置。片上模数转换器则可用来测量各种系统输入，如马达相位电流和功率因数校正电路的直流总线电压等。由于该器件提供多达16个通道，其它输入可用来测量水温和水位等操作条件。

　　马达驱动算法和其它软件模块

　　马达驱动装置共有三大软件模块：变速操作所需的闭环空间向量脉宽调制(SVPWM)模块、前端输入功率因数校正，以及一个主要做为控制器与用户控制面板之间界面的通信模块。本文着重介绍了SVPWM模块。空间向量PWM技术具有多项优点，从而胜过正弦波PWM等较简单、效率较差的方法。在特定的直流链路电压输出下，SVPWM的三相马达功率输出比正弦波PWM馈电马达的高出16％。图2是SVPWM算法的结构图。

　　首先是产生参考电压向量。控制器会在直接正交(d-q)平面上以特定的速度和振幅旋转参考电压向量，参考频率ωsp由用户提供，角频率ωe则由频率产生算法控制。角度积分器的8个高位作为指针，指向一个256字符的正弦波值查询表。只要将一个固定值(步阶幅度)加到此寄存器，指针就会以固定速率在表格上循环移动，并在移到表格尾端时折回表格的前端继续移动。它还需要sine(α)的值，以便将参考电压向量分解成参考电压向量所在扇形区(sector)的基本空间向量。由于6个扇形区都采用同样的分解程序，系统只需一份60°的正弦波值查询表。在特定的步长幅度下，参考电压V*的角频率(周期/秒)等于：

　　其中fs是采样频率，Step等于角度的步长增量，m则是积分寄存器的位数。

　　设定PWM频率fS=20kHz，step=1，m=16，频率分辨率就变成0.061Hz，这表示设计人员对逆变器输出频率的控制度能达到0.1Hz。查询表的大小也会影响合成正弦波的谐波失真度。假设表格有256个字段，角度变动范围为60°，那么角度查询的分辨率就等于60°/256=O.230°。

　　第二步是把参考电压向量变换成下列所述的一组开关变量。三相电压源逆变器可以产生8个基本向量。系统则会通过线性组合的方式，将两个相邻的基本向量Vx与Vy，以及两个零向量中的任何一个向量组成特定扇形区的参考电压向量V*。此时参考向量可以写成：

　　其中：Vz是零向量，dx、dy和dz则是x、Y和z状态在PWM切换间隔的占空比。这些占空比的总和等于100％的PWM周期(dx+dy+dz=1)。现在：

　　其中M是调制指数。并且求得：

　　d-q参考坐标能对齐任伺一个基本向量，所以这些方程式可用于6个扇区。算法还必须计算比较值，然后将新值存入PWM模块。计算出特定参考电压V*的PWM占空比后，系统在每个PWM周期(50μs)都会计算3个新的比较值(Ta、Tb和Tc)以产生开关模式。

　　这些值会加载到PWM比较寄存器，控制器会在下个PWM周期开始时更新占空比。

　　马达转速信息来自25齿的链轮和霍尔效应传感器，再由器件的采集模块记录霍尔效应传感器的输出。DSP计算近25个周期的测量结果平均值，以避免转速测量常见的测量抖动现象。系统利用平均算法得到可靠的周期测量值后，即可计算周期的倒数来取得角速度(频率)。再由传统的比例积分算法执行闭环转速控制。

　　尺寸远远小于任何无源滤波器。这种有源功率因数校正机制应符合未来任何严格的

　　电力品质法规要求。

　　实验结果

　　我们构建了图3所示的250W实验板，它能提供上述的所有功能。驱动频率可以从0至60Hz。三相电压源逆变器和升压转换器都使用功率MOSFET。升压转换电路的电感大约等于150pH。控制软件则使用汇编语言，这些汇编语言长度小于4k个字符，全部储存在DSP控制器的闪存中。这套系统也能改用内含ROM内存的DSP控制器，以进一步降低系统的总成本。图4显示输入电源的电压与电流几乎没有相位差，证明输入功率因数已获得大幅改进。

　　表1是各种软件模块所需的DSP控制器频宽。执行这些功能显然只会占用DSP的部份效能，这表示设计人员还能视应用需要采用更先进的算法。

  

参考文献:

[1]. 60Hz datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/60Hz_2517196.html.
[2]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.