DSP系統在家電中的應用

概述

DSP 擅長(cháng)于數學(xué)運算，嵌入式DSP電機控制芯片把DSP內核與一系列功能強大的控制外設集成到一個(gè)芯片上，這樣便能以快速的DSP內核作為計算引擎，加上片內的A/D模塊提高了電機控制帶寬，并且允許低成本實(shí)現更加復雜垢控制和無(wú)傳感器的算法，因此能控制交流感應電動(dòng)機、無(wú)刷直流電動(dòng)機和開(kāi)關(guān)磁阻電機，需不需要速度或位置傳感器，甚至特殊的電流傳感方式。這些計算能力和優(yōu)化的外設使它很容易的完成更多的功能，如功率因數的校正;在不增加控制器成本的情況下，滿(mǎn)足某些特殊應用的要求，如洗衣機的平衡控制。

新經(jīng)濟將我們帶進(jìn)一個(gè)全數字的世界，更多的數字信息將要涌入家庭，如網(wǎng)絡(luò )冰箱就是量例。嵌入式DSP使控制器甚至是電器之間建立通信成為易事。最新的嵌入式DSP帶調試用的JTAG和為家庭網(wǎng)絡(luò )控制用的CAN總線(xiàn)。DSP計算引擎將與更先進(jìn)的外設集成，提供一種單片解決方案。因此優(yōu)化的外設是可編程的，并且處于軟件的實(shí)時(shí)控制之下，所以嵌入式DSP可提供更加靈活多樣的控制特征，且易于升級。

本文將從嵌入式DSP電機控制芯片的基本特征開(kāi)始，介紹一下基于DSP的磁場(chǎng)定向控制和擴展卡爾曼濾波算法。

嵌入式DSP電機控制芯片

不同的廠(chǎng)商，他們的DSP電機控制芯片在DSP內核、外設、編程語(yǔ)言以及其它半導體技術(shù)中均有不同。先進(jìn)的DSP內核與優(yōu)化的外設結合，不僅可用于電機控制，也可以用于通信和其它功率電子控制。由于每個(gè)應用之間在外設方面相差很大。為所有的應用設計一個(gè)嵌入式的電機控制芯片是不經(jīng)濟的，也是不現實(shí)的。通常，都會(huì )有一系列產(chǎn)品為不同的應用而優(yōu)化。外設至少應包括3～6相16位PWM產(chǎn)生器、多重輔助PWM計數器、模擬量采集系統、參考電壓、串行通信口、通用I/O口，另外也可以包括編程器接口、CAN總線(xiàn)和JTAG接口、DMA控制器、DPI口等等。

一些嵌入式DSP具有片內Flash存儲器，如ADI的DashDSP系列。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的不同階段可以很方便地通過(guò)PC與DSP的通信來(lái)修改軟件，從而方便地進(jìn)行可重復編程。Flash存儲器的軟件可以移植到基于ROM的產(chǎn)品來(lái)大批量生產(chǎn)。

PWM模塊提供了靈活可編程的多相PWM波形，可用來(lái)驅動(dòng)交流感應電動(dòng)機、無(wú)刷直流電動(dòng)機或開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機。輔助PWM輸出可用來(lái)提供前端的功率因數校正或開(kāi)關(guān)電源控制。另外，通過(guò)適當的濾波網(wǎng)絡(luò )，也可以用作簡(jiǎn)單的A/D轉換。

嵌入式DSP電機控制芯片使用單積分式、總和增量式或流水閃速技術(shù)的A/D系統。它的多通道模擬量采樣系統通常有10～12位的分辨率，與不同應用所選的不同型號有關(guān)系。

采用擴展卡爾曼預測算法的無(wú)刷直流電動(dòng)機無(wú)傳感器控制

相對于交流感應電動(dòng)機，無(wú)刷直流電動(dòng)機由于其特性更接近于有刷直流電動(dòng)機而具有多方面的優(yōu)勢;同時(shí)也由于無(wú)刷直流電動(dòng)機大都采用了永磁轉子，具有更高的效率，因此特性適合于家用電器。它本身生來(lái)具有旋轉平穩、噪聲低電機尺寸小等顯著(zhù)特點(diǎn)，也使使其得到了許多家用電器廠(chǎng)家的青睞，在風(fēng)扇、洗衣機、冰箱及空調壓縮機中，都開(kāi)始采用無(wú)刷直流盡可能動(dòng)機。

無(wú)刷直流電動(dòng)機的控制有別于有刷直流電動(dòng)機或交流感應電機，它需要一些位置傳感信息來(lái)選擇正確的換流順序，而家電產(chǎn)品對費用的敏感，使得增加傳感部件所帶來(lái)的額外費用不受接受，也不切實(shí)際;同時(shí)容易降低系統的可靠性，而且對于象壓縮機一類(lèi)密封的無(wú)刷直流電動(dòng)機，安裝位置傳感器是非常不現實(shí)的，也是不允許的。在這種情況下，無(wú)刷直流電動(dòng)機的無(wú)傳感器控制將被廣泛采用，使之在家電領(lǐng)域鋮為一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。

有多種算法可以實(shí)現無(wú)傳感器控制，傳統的方法(過(guò)零檢測法)大都采用檢測不導通相反電勢的過(guò)零點(diǎn)判斷轉子的位置，根據過(guò)零點(diǎn)信息及換相邏輯來(lái)選擇最佳的換流順序。這些方法已經(jīng)在許多家電上采用，如直流變頻冰箱及直流變頻空調。但由于過(guò)零檢測法只能檢測一些特定的點(diǎn)，而且隨著(zhù)電機轉速在大范圍內變化，反電勢的變頻率也會(huì )變化，檢測電路中的濾波器件會(huì )帶來(lái)一定的相移，這會(huì )大大影響檢測過(guò)零點(diǎn)的準確性;同時(shí)由于功率器件上續流二極管的反向電流作用，在大電流情況下也會(huì )對過(guò)零點(diǎn)的檢測帶來(lái)一定的影響。

針對這些問(wèn)題，采用擴展卡爾曼預測算法來(lái)估算無(wú)刷直流電動(dòng)機轉子的瞬時(shí)位置與速度信息，為無(wú)刷直流電動(dòng)機無(wú)傳感器控制提供了一種較好的解決方法。而且采用美國ADI的嵌入式DSP電機控制器，只需要一片28腳的ADMC328即可很方便地實(shí)現該算法。

圖1 表示了用擴展卡爾曼預測算法(簡(jiǎn)稱(chēng)EKE)估算無(wú)刷直流電動(dòng)機轉子角度(位置)和速度的原理框圖，圖中虛線(xiàn)框內即為一片嵌入式DSP電機控制器，三對電阻網(wǎng)絡(luò )用于測量非導通相的反電勢信號，并將該信號送到嵌入式DSP電機控制器的ADC端。從圖中可看出該方法采用了雙閉環(huán)控制，用EKE算法估算出電機轉子速度，對外環(huán)閉環(huán)，實(shí)現速度環(huán)控制。同時(shí)還能估算出轉子位置，實(shí)現無(wú)傳感器換相，而完全不依賴(lài)于過(guò)零點(diǎn)檢測。在直流母線(xiàn)上可用一個(gè)采樣電阻來(lái)測量導通相的電流，作為內環(huán)反饋以實(shí)現電流(力矩)控制。

在DSP中進(jìn)行遞推處理時(shí)，EKE算法便轉子速度和位置的估算變成反電勢噪聲輸入，它包括兩步：第一步是用狀態(tài)量和基于前一狀態(tài)量輸出進(jìn)行預估算;第二步是完成校正過(guò)程，運用反電勢測量數據和觀(guān)測器模型去優(yōu)化修正前面估算的狀態(tài)量。

要完成EKE算法，首先需建立一個(gè)連續的時(shí)域系統模型。在本應用中，線(xiàn)性系統模型可用方程(1)描述：

X=Fx+Gu(1)

可將連續的時(shí)域系統模型轉換成離散域線(xiàn)性系統模型，通過(guò)對連續的時(shí)域系統模型按相當于PWM頻率2倍的采樣頻率采樣，得到離散域系統模型：

X(k+1)=φkXk+Γkuk+σk(2)

這里，狀態(tài)向量其中ωk、σk是系統所包含的代表轉子速率和角度(位置)的兩維離散狀態(tài)變量;uk是轉矩信號，可為確定性輸入;系統隨機干擾(模型噪聲)σk是零均值白色高斯噪聲，定義其協(xié)方差陣為。

在該應用中，只有觀(guān)測器模型是非線(xiàn)性的，它可描述如下：

Zk=hkXk+Vk(3)

這里hk是一個(gè)非線(xiàn)性函數，它應該是關(guān)于不導通相的反電勢的最近似的關(guān)系式，涉及轉子位置和速度——系統的狀態(tài)變量。測量噪聲是零均值白色高斯噪聲，定義其協(xié)方差陣為Rk。

在EKE 中，非線(xiàn)性觀(guān)測器模型可在最新?tīng)顟B(tài)預測點(diǎn)線(xiàn)性化。非線(xiàn)性函數如果足夠平滑，可在最新?tīng)顟B(tài)點(diǎn)上展開(kāi)成泰勒級數，這就保證了對觀(guān)測器模型而言，現有的線(xiàn)性近似是最好的近似，所選取的軌跡也是最新近的軌跡。該函數的確定，對于EKE算法能否得到正確的預測起到了關(guān)鍵作用。

用方程(2)對狀態(tài)量進(jìn)行預先狀態(tài)估算，通過(guò)忽略模型噪聲，然后將預先估算值加上用卡爾曼增益Kk加權進(jìn)行修正的測量殘差來(lái)得到預測值，這可表示如下：

xk=xk+Kk(zk-zk -)(4)

為了在(4)中得到最優(yōu)估計，采用如下卡爾曼增益：

Kk=Pk -HkT(HkT+Rk) -1(5)

整個(gè)遞推過(guò)程可由圖2所示垢流程圖來(lái)描述，顯然對轉子速度和角度估算的EKE實(shí)際上是一個(gè)DSP算法，由DSP把反電勢的離散測量值處理成轉子速度和角度的最優(yōu)估算，它可以按線(xiàn)性軌跡進(jìn)行線(xiàn)性化。遞推過(guò)程用最優(yōu)估算值Xk作為x的tk時(shí)刻的參考值去預測(xk+1)-。因此它實(shí)際上是一個(gè)近似最優(yōu)的濾波器件設計，常稱(chēng)為次最優(yōu)濾波。EKE算法的執行包含了大量的矩陣運算，它可以用嵌入式DSP電機控制器方便地進(jìn)行處理。