FOC算法设计基于DSC的无传感器永磁同步电机控制

　　出于对环境保护的考虑，预计更新的法规会不断颁布出来，以要求开发更加节能高效的家用电器，例如洗衣机或空调。迄今为止，只有少数几家供应商推出的专有解决方案，提供了的电机控制技术，可支持能效更高、噪声更低的电器。不过，现在有了崭新的变化——得益于新一代数字信号控制器(DSC)，以高成本效益方式实现电机控制算法已成为现实。

　　本文将介绍可以用在家电如洗衣机上的永磁同步电机（PMSM）型BLDC电机的无传感器磁场定向控制（FOC）。

　　一台洗衣机的鼓单元包括一个BLDC电机、电机控制板及一个带有小键盘的用户接口板、LCD和温度传感器。用户接口板以串行链接对所需的洗涤负载、漂洗速度及其他命令与电机控制板的进行沟通。然后电机控制板根据收到的命令改变电机速度和扭矩。因此，任何PMSM控制板的改进，都可以显著节省能源和成本。

　　对于无法部署位置或速度传感器的一些应用，无传感器FOC技术还可以克服一些由此产生的限制。例如，在一些压缩机应用中，电机充满机油会对线束布局有一些限制。在电器中采用PMSM电机时，由于PMSM电机转子上的永磁体产生的转子磁场是恒定的，所以可以提供极高的效率。此外，电机的定子磁场通过正弦分布的绕组产生。与感应电机相比，PMSM电机还具有极高的功率/尺寸比。与直流电机相同，它们的电气噪声也较低，因为它们不采用电刷。

　　在电机控制中采用DSC的优势

　　通过采用数字信号控制器（DSC）如Microchip的dsPIC33F电机控制系列，设计人员能改进电机系统中的能量效率和节省成本。使用DSC时，无传感器FOC算法非常适用于PMSM电机控制。这是因为DSC及其片上外设有助于FOC算法有效地执行，以便以一种无传感器方法实现BLDC电机中的转子位置检测。

　　DSC 需要快速灵活的ADC来进行电流检测，这是电机控制中的一项关键功能。Microchip dsPIC DSC系列提供了这样的ADC，能够以1Msps的速率转换输入采样，可同时处理多4路输入。这些ADC具有多种触发选项，支持采用低成本的电流检测电阻来测量电机相绕组电流。例如，可以通过PWM模块触发A/D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入检测电阻，可在此时对输入进行检测。

　　采用的电机控制开发工具

　　本文讨论的FOC电机控制固件基于 Microchip的dsPICDEM MC1电机控制开发板。FOC算法采用Microchip的数据监视与控制界面(DMCI)工具进行测试和调试，该工具是MPLAB集成开发环境 (IDE)的一个模块。DMCI工具提供了快速的动态IDE，让设计人员可以用图形方式来表示应用反馈。例如，在DMCI的IDE中，程序符号(变量)可以动态地分配给滚动条、直接输入或布尔控件的任意组合，而IDE提供了对于这些符号(变量)的项目知悉导航功能。通过这些控件，用户可以在DMCI IDE中交互式地更改程序变量的值。此外，用户还可以动态地配置图形，以查看程序生成的数据。

　　在系统结构框图(图1)中，可以看到电机轴上没有安装位置传感器，但电机上采用了一些传感器来测量电流。这些传感器的电感电阻较低，它们属于逆变器功能模块的一部分。这里采用一个三相逆变器作为功率级，用来驱动电机绕组(图2)。

图1：USB界面专用充电器。

　　图2：三相逆变器驱动PMSM绕组。

　　FOC(或矢量控制)算法的简要步骤

　　以下总结了控制PMSM的FOC算法步骤。

　　1.先测量三相定子电流ia和ib。根据ia+ib+ic=0，计算来自两个电流传感器的电流。

　　2.将三相电流转换到2轴坐标系中。该转换根据测量的ia、ib和ic值得到变量iα和iβ。从定子的角度来说，iα和iβ是时变正交电流值。该步骤称为Park变换。

　　3.采用控制循环上迭代时计算的变换角旋转2轴坐标系，使之与转子磁通对齐。该转换根据iα和iβ得到变量id和iq。现在，将正交电流id和iq变换到旋转坐标系中。在稳态条件下，id和iq将保持恒定。该步骤称为Clarke变换。