数字信号控制器在变频家电中的应用

与之前的传统家电相比,变频家电普遍具有节能、静音和增强的性能等特点。 Microchip推出了dsPIC数字信号控制器系列,专门针对嵌入式变频控制的需求而优化了软硬件的设计,结合了单片机的易用性、低成本和DSP的强大处理能力,为家电的变频化提供了最佳的解决方案。

Microchip的dsPIC30F数字信号控制器提供了强大的16位单片机所具备的所有功能：快速复杂和灵活的中断处理,丰富的数字和模拟片上外设,灵活的电源管理能力,可灵活使用的多种时钟模式,上电复位和掉电保护,看门狗定时器,代码加密,全速实时仿真及全速在线等调试功能。

目前,Microchip的dsPIC30F家族有三大系列,分别是通用系列、电机控制和电源变换系列以及传感器系列。其中的电机控制系列,目前有7个产品,支持多种电机控制应用,如BLDC电机、单相和三相感应电机(ACIM)和开关磁阻电机等。该系列同时也适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正(PFC)等电源变换应用。

BLDC电机是变频家电首选

各种变频家电,虽然具体应用各具特色,但核心部分都是电机的变频控制。其中虽然各类电机都有应用,但直流无刷电机（BLDC电机）由于具有起动力矩大,起动电流小,运行效率高,调速性能好,噪声低,体积小等众多优点,已经成为变频家电首选的电机类型。

BLDC电机的结构与普通的直流电机不同,它具有一个由永磁体构成的转子和由绕组构成的定子。对于常见的三相BLDC电机,其定子是由三相绕组构成,并且做星形连接,如图所示。

基本的BLDC电机模型

要使BLDC电机转动,必须要有旋转磁场。而BLDC的机械结构决定了其转子的机械旋转速度与定子旋转磁通是同步的。这样,要控制BLDC,就必须在知道其转子的精确位置的前提下,以特定的通电顺序给定子绕组通电,也就是通常所说的"换相"。

BLDC电机换相图

要使BLDC电机正确地换相,关键是精确知道转子的位置。要知道转子的精确位置,有几种不同的方法。可以使用某种形式的位置传感器来测量转子的位置,常用的是安装在电机转轴上的光电式轴角编码器或检测转子磁体位置的霍尔传感器。这样的控制方式通常称为有传感器的BLDC控制法。使用位置传感器方便直观,但控制系统的成本和机械复杂度较高,而且在某些情形下使用困难。比如在空调或冰箱等采用压缩机的应用里,电机需要浸没在液体里面运行,机械装配等因素也有很大的限制,使得使用传感器的控制方法不太适用。在这样的应用环境下,就要求使用无传感器的控制方法。

无传感器的控制方法,虽然没有使用真实的传感器,实际上还是需要测量转子的精确位置,只不过它使用了其它的手段,间接地测量而已。可以采用反电动势法、相电流法和续流二极管法等几种方法来实现,其中反电动势法(BEMF)则是最常用的。

对于普通的120°通电的三相BLDC电机,电机工作时任一时刻三个定子绕组中总有一个绕组是不通电的。根据没有通电的那个定子绕组在切割旋转的转子所产生的磁力线时而产生的反电动势来推算转子的位置。通过分析这个反电动势的幅度、相位和变化趋势,就可以知道转子的精确位置了。下面的方案就是基于不通电相的BEMF过零检测方法,采用了Microchip公司的dsPIC30F数字信号控制器完成所有的控制功能。

选择BEMF的过零检测技术,是因为它具有一系列的优点,而这些优点对于家电应用来说,尤为重要。这种技术对电机的适应性强,适用于多种电机,适用于Y型连接和Δ型连接的电机,不需要精确了解电机特性,对电机的制造公差要求不太严格,对电压控制和电流控制都有效。

对于BEMF相电压,它的数学表达如下：

当速度大于零时,则每个电周期中某相的BEMF为零的位置只有二个,可以通过下图中过零点的斜率来区分这二个位置。其中每一段对应电周期中的一个60°部分,换相发生在每一段的边界处,因此需要检测段的边界。BEMF过零点和需要换相的位置之间有30°的偏移,必须对其进行补偿,以确保电机平稳高效地运转。以上的描述是针对Y型连接的电机而言。对于Δ型连接的电机,具体实现方法有所不同。

BEMF过零检测示意图

从硬件的实现上来看,可以采用以下电路。具体的过零检测可以这样实现：首先通过分压器和dsPIC的片上AD转换器监测所有的三相端电压和VDC;然后在相应的时间段内检测相BEMF何时经过1/2VDC。对于某个特定的时间段,只需监测其中一相的电压。使用dsPIC片上的一个定时器测量二次过零点之间的时间,然后将这个时间除以2后加载到另一个定时器中以进行所需的30°补偿。

BEMF检测硬件示例

实际的BEMF波形图

有了精确的转子位置检测就可以实现正确换相,有了正确换相就可以让BLDC电机正确地转动,但为了改变BLDC电机的转速,还需要改变加在BLDC电机定子绕组上的端电压。为了满足这个要求,可以使用dsPIC30F所配备的电机控制专用脉宽调制输出硬件(MCPWM)。从下图可以看到,这是针对电机控制而专门设计的PWM电路,具有三对六路互补PWM发生器,每一对PWM分别配备了死区发生器和手动改写逻辑,专用的时基发生电路,具有中心对齐或边沿对齐输出方式。采用这个专用的硬件外设后,可以大大地简化软硬件的设计,同时极大地提高整个控制系统的安全可靠性。

dsPIC中MCPWM的框图

整个变频部分的电路结构如下图所示：

整个变频部分的电路结构

而控制算法则可采用常见的PID方法,通过MCPWM控制电压和电流,由BEMF检测提供速度/位置/方向信息,由dsPIC完成闭环控制,整个系统简洁高效,充分发挥了dsPIC的处理能力。

由dsPIC完成闭环控制

开发工具/环境的支持

任何一种单片机或是DSP,都需要开发工具的支持才能完成应用,dsPIC也不例外。好在Microchip在嵌入式控制领域具有丰富的经验,早就为DSC系列准备了完整的软硬件开发工具、应用程序库、开发板和参考设计。

首先是MPLAB集成开发环境(IDE),这是Microchip公司所有单片机和DSP产品统一的开发平台,用于开发dsPIC30F的所有工具都是在这个平台中工作的。这个功能强大又易于使用的MPLAB IDE拥有32位调试环境所具备的所有高级编辑/编译/调试功能。MPLAB IDE不仅集成了软件,而且也集成了Microchip公司的硬件工具和许多第三方工具。MPLAB IDE可运行于Windows? XP、2000、ME、98 SE和NT,内置功能强大的代码编辑器,可用颜色区分代码的功能,大大提高编辑的效率,有助于减少语法错误。支持项目建立和管理,可进行汇编和C源代码级调试。具有灵活的观察窗口,也可以将鼠标移动到变量上直接查看变量的值。

dsPIC30F有丰富的软硬件开发工具的支持,其中包括许多优秀的免费和廉价工具。对于初次使用的开发者,建议使用MPLAB ICD 2在线调试器和MPLAB IDE集成开发环境。只需要非常小的投资您就可以马上开始您的项目了。

全部的开发工具包括：

除了上面列出的基本的开发工具,对于具有强大DSP处理能力的dsPIC,Microchip还提供了更多的软件工具,便开发工作更容易,效率更高。这些高级软件工具包括：
MPLAB VDI可视化器件初始化程序
dsPICworks?数据分析和DSP软件
数字滤波器设计CAD辅助软件
大量的常用数学库和DSP算法库
外围驱动程序库
大量的实用连接库,包括TCP/IP协议栈和嵌入式软Modem库等等
更多现成的应用程序库,包括语音识别、噪声抑制、加解密、回声消除、电机控制、RTOS及通讯驱动程序（如OSEK和CAN驱动程序）等等

有了上面这些强大易用的软硬件开发工具的支持,在dsPIC上的开发甚至比传统的单片机更加容易上手,开发效率更高,开发时间更短。以上面的变频空调为例,就是在这样的开发环境里采用汇编(MPLAB ASM30)和C语言(MPLAB C30)混合编程开发完成的。初期采用软件仿真(MPLAB SIM30)完成算法和逻辑部分的代码编写和除错,然后用MPLAB ICD 2在线调试器和MPLAB ICE 4000在线仿真器进行实时仿真,最后利用MPLAB PM3器件编程器把目标代码写入dsPIC30F的闪存中进行最后的脱机调试和验证,直至完成整个开发。整个过程都是在MPLAB IDE集成开发环境中一气呵成。

（变频空调项目的开发环境）

综上所述,随着生活水平的提高以及控制理论和半导体工业的发展,传统家电正在经历一场变频化的革命。而这场变频技术革命的核心,就是高性能低成本的嵌入式控制芯片。Microchip公司的dsPIC30F系列数字信号控制器,融合了最新的16位单片机性能和DSP运算所需要的所有功能,配合为电机的变频控制而优化设计的专用片上硬件,可以很好地完成各类电机的控制应用,是变频家电控制器嵌入式控制芯片的理想选择。