8位MCU實(shí)現電機控制設計
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圖1所示為“有功功率”負載的功率耗散。由于其電抗性而只是被吸收到負載中并送還的功率，被稱(chēng)為“無(wú)功功率”。“視在功率”是交流電源的度量標準，是RMS電流與RMS電壓的乘積。根據上面的等式，功率因素是有功功率與視在功率之比，因此，功率因素越小，則意味著(zhù)電力的利用率越低。功率因素小于1，且尖峰負載造成諧波電流的設備的耗電量更高。也就是說(shuō)，這種設備未能優(yōu)化利用所供應的電力。像風(fēng)扇和泵等家用電器的電機類(lèi)似于感性負載。其電流的相位滯后于電壓，根據相位角的余弦值，PF小于1。這將影響家用電器設備的可靠性、性能和經(jīng)久耐用性。譬如，未實(shí)現PFC控制的典型PMSM風(fēng)扇電機的PF約為0.45。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/329386.htm
圖1：功率三角函數。
圖2所示為在整流橋與大電流電容器之前加裝開(kāi)關(guān)器件的PFC控制實(shí)現。由于PFC MOSFET要求12V開(kāi)關(guān)電壓，因此在MCU與MOSFET 之間加裝了4只充當電平移動(dòng)二極管的晶體管。借助簡(jiǎn)單的外接硬件電路，可以用更新、更高效的電機驅動(dòng)應用來(lái)替換低效率的電機驅動(dòng)應用。在這個(gè)平臺中，英飛凌引入了直接、簡(jiǎn)單的軟件臨界導通模式(CRM)PFC控制，相比于分立式PFC芯片解決方案，前者要求單片機提供更多資源。
這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺還為客戶(hù)提供了一種利用FOC技術(shù)來(lái)評估永磁同步電動(dòng)機(PMSM)控制應用的備選方法。此外，該開(kāi)發(fā)平臺也專(zhuān)門(mén)設計為可用于評估英飛凌單片機的實(shí)時(shí)功能的性能。
FOC是用于操作電機的技術(shù)，可以在任何速度實(shí)現平穩的高能效運行。利用FOC技術(shù)，可以大幅提高電機的能效，從而降低功耗，減輕噪聲，提供卓越的扭矩動(dòng)態(tài)。諸如風(fēng)扇、空氣泵等等成本敏感型設備通常要求實(shí)現無(wú)傳感器控制。然而，利用流經(jīng)電機線(xiàn)圈的電流提供的信息，可以估算出電機的電位。英飛凌目前推出的這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺就實(shí)現了雙并聯(lián)電阻檢測方法。
圖4所示為無(wú)傳感器FOC和PFC控制算法的簡(jiǎn)化框圖。FOC方法生成的三相正弦信號允許輕松控制其頻率和幅度，從而最大限度地降低電流，提高能效。其基本思路的核心是將三相信號變換為兩路轉子信號，反之亦然。在轉子參考系中，電流是靜止的，易于控制。反向矢量旋轉致使控制電壓旋轉起來(lái)。從正交定子兩相坐標系(α-β坐標系)中，得出通量估算器的輸入信號。輸出信號代表了轉子角度。與此同時(shí)，PFC的控制結構被劃分為3個(gè)環(huán)路：Vdc控制環(huán)路、Iac檢測控制環(huán)路和Vac輸入檢測環(huán)路。通過(guò)改變電流幅度信號的平均值來(lái)控制Vdc。Iac決定了PWM負載周期脈沖。倍增Vac，以使得Iac具備與輸入電壓波形相同的波形。電流信號與Vac應當盡可能匹配，以實(shí)現高PF。
由于整個(gè)平臺都由XC836控制，因此重要的是理解低成本單片機的特性和外設適用于該應用。開(kāi)發(fā)平臺所用的外設旨在執行：計算矢量旋轉和變換，如派克變換;提供16位分辨率，以生成高精度空間矢量PWM信號;控制空載時(shí)間，最大限度地減輕硬件工作量;同時(shí)對多個(gè)模擬通道進(jìn)行取樣以執行故障防護的方法;功能強大的電機控制外設集——CAPCOM6和10位模數轉換器。
此外，該平臺經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計，可利用PFC控制來(lái)驅動(dòng)PMSM吊扇電機，并滿(mǎn)足下例性能要求：典型交流電源輸入范圍(150~230VAC);PFC最低為0.91@230VAC;功耗不足常規吊扇的1/2;系統總功耗不到31W@360rpm;直接替代市場(chǎng)上的常規吊扇;吊扇轉速各異。
簡(jiǎn)而言之，這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺旨在縮短具備高PF的高能效電機控制產(chǎn)品的上市時(shí)間，降低噪聲，提高系統可靠性。目標應用為家用電器，如吊扇和各種類(lèi)型的工業(yè)電機控制應用。
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