設計高性能和低功耗的電機控制系統（二）

功率因數校正

　　PFC可確保電流波形遵循電壓波形，不論負載或輸入條件出現任何變化，它都能將輸出直流電壓調節為常量。當以有源數字方式執行PFC時(shí)，PFC能更加精確，并能消除電壓和電流之間的所有相移。減少諧波電流含量非常具有吸引力，因為它表示已抽運且未使用的無(wú)功功率。功率因數的重要性在于這一事實(shí)：公用事業(yè)公司向客戶(hù)提供伏安，卻以瓦特計費。低于1.0的功率因數要求公用事業(yè)公司生產(chǎn)的伏安數大于提供實(shí)際功率（瓦特）所必需的最小伏安數。

　　此外，PFC還用于平緩功耗和調節輸出電壓。例如，當冰箱中的壓縮機開(kāi)啟時(shí)，它會(huì )在電力網(wǎng)中產(chǎn)生巨大的負載，通常表現為壓降。這類(lèi)功率峰值和諧波會(huì )損害脆弱的電子系統。當系統達到峰值時(shí)，如果沒(méi)有PFC，它們傾向于抽運未消耗的功率，因而會(huì )降低總效率。此外，即使是在動(dòng)態(tài)負載下，PFC也能讓直流總線(xiàn)電壓保持穩定。

　　PFC對動(dòng)力傳動(dòng)鏈下游也有進(jìn)一步影響。由于電力公司需要生成更大的功率電容以適應峰值，因此，行業(yè)鼓勵電子產(chǎn)品制造商采用PFC等技術(shù)來(lái)平緩功耗。在某些情況下，必須采用PFC - IEC 60730要求歐洲市場(chǎng)出售的白色家電中必須采用PFC。

　　PFC的模擬或無(wú)源實(shí)施被鎖定為單個(gè)模式，對操作條件變化的反應能力有限。相反，有源或數字控制的PFC能作用于并適應操作條件的變化。例如，當空調即將打開(kāi)壓縮機時(shí)，PFC能在瞬時(shí)中斷時(shí)主動(dòng)補償較大的負載。這不僅能減少生成的瞬態(tài)數量，還能使功率使用更為高效。數字PFC的靈活性也使開(kāi)發(fā)人員可使用可能比PFC無(wú)源實(shí)施更復雜的PFC拓撲。

　　不可小覷高分辨率PWM和A/D轉換器對有效PFC的重要性。維持模擬和數字域交匯處的信號完整性極其重要，因為這些交界處出現的任何錯誤都會(huì )降低性能。

　　多個(gè)電機的控制

　　許多系統都使用多個(gè)電機。例如，HVAC系統需要管理一臺壓縮機和一臺風(fēng)扇。大多數實(shí)施要求每個(gè)電機和其他電機使用獨立的控制器以實(shí)施PFC。

　　C2000 Piccolo MCU是第一種能夠使用單芯片通過(guò)PFC管理兩個(gè)電機的控制器。許多MCU沒(méi)有為控制多個(gè)電機及執行主動(dòng)PFC所需的計算能力或集成外設。例如，控制電機可能需要工作頻率高達20KHz的控制回路。另一方面，PFC需要約為50至100KHz的工作頻率。為了可靠地執行此類(lèi)高頻控制算法 - 這種情況下為兩個(gè)控制電機和一個(gè)管理PFC - MCU必須能夠在幾乎無(wú)延遲的情況下迅速有效地處理計算。

　　控制多個(gè)電機的能力不僅可以降低系統成本，還可以提高總功率效率和性能。對于操作雙電機的應用，兩個(gè)電機都受相同MCU的控制，這一事實(shí)能夠讓控制器協(xié)調一臺電機相對于另一臺電機而言的加速速度。此外，由于兩個(gè)電機都抽運相同的電流源，也可以對PFC實(shí)施進(jìn)行協(xié)調以取得更佳結果。

　　無(wú)傳感器控制

　　另一個(gè)潛在成本節約方面在于無(wú)傳感器反饋?？墒褂媒＜夹g(shù)來(lái)精確地確定電機位置或速度，而非使用速度和/或位置傳感器。要控制PM無(wú)刷直流電機，位置和速度信息至關(guān)重要。在當今許多系統中，傳感器都用于收集此數據，將此作為控制算法的輸入。但是，從規模、成本、維護和可靠性角度來(lái)看，這些傳感器并不具有吸引力。

　　對于某些應用，傳感器絕對必要。例如，用于醫院呼吸機的氧氣泵需要足夠的精度來(lái)確保固定流速。使用自定義電機時(shí)，創(chuàng )建精確的模型可能會(huì )非常困難。對于非常低速的系統應用，可能不存在足夠的反饋來(lái)支持無(wú)傳感器實(shí)施。

　　然而，對于許多應用（包括白色家電）而言，這種精度并非必要，因此，可引入無(wú)傳感器控制以降低系統成本。例如，當永磁同步電機處于使用狀態(tài)時(shí)，可使用名為滑模觀(guān)測器的動(dòng)態(tài)模型替代傳感器，該觀(guān)測器的實(shí)施既強大又簡(jiǎn)單。此外，可通過(guò)最壞情況下極低的速度誤差實(shí)現較高的功率效率。

　　消除傳感器的使用需要控制器模擬電機的狀態(tài)，這樣便能正確估算出相應的位置/速度。為了保持足夠的模型精度，需要對電壓進(jìn)行精確的高頻監控。對于這