數(shù)字信號控制器在變頻家電中的應(yīng)用
Microchip推出了dsPIC數(shù)字信號控制器系列，專門針對嵌入式變頻控制的需求而優(yōu)化了軟硬件的設(shè)計，結(jié)合了單片機的易用性、低成本和DSP的強大處理能力，為家電的變頻化提供了最佳的解決方案。
與之前的傳統(tǒng)家電相比，變頻家電普遍具有節(jié)能、靜音和增強的性能等特點。
Microchip推出了dsPIC數(shù)字信號控制器系列，專門針對嵌入式變頻控制的需求而優(yōu)化了軟硬件的設(shè)計，結(jié)合了單片機的易用性、低成本和DSP的強大處理能力，為家電的變頻化提供了最佳的解決方案。
Microchip的dsPIC30F數(shù)字信號控制器提供了強大的16位單片機所具備的所有功能：快速復(fù)雜和靈活的中斷處理，豐富的數(shù)字和模擬片上外設(shè)，靈活的電源管理能力，可靈活使用的多種時鐘模式，上電復(fù)位和掉電保護，看門狗定時器，代碼加密，全速實時仿真及全速在線等調(diào)試功能。
目前，Microchip的dsPIC30F家族有三大系列，分別是通用系列、電機控制和電源變換系列以及傳感器系列。其中的電機控制系列，目前有7個產(chǎn)品，支持多種電機控制應(yīng)用，如BLDC電機、單相和三相感應(yīng)電機(ACIM)和開關(guān)磁阻電機等。該系列同時也適用于不間斷電源(UPS)、逆變器、開關(guān)電源和功率因數(shù)校正(PFC)等電源變換應(yīng)用。
BLDC電機是變頻家電首選
各種變頻家電，雖然具體應(yīng)用各具特色，但核心部分都是電機的變頻控制。其中雖然各類電機都有應(yīng)用，但直流無刷電機（BLDC電機）由于具有起動力矩大，起動電流小，運行效率高，調(diào)速性能好，噪聲低，體積小等眾多優(yōu)點，已經(jīng)成為變頻家電首選的電機類型。
BLDC電機的結(jié)構(gòu)與普通的直流電機不同，它具有一個由永磁體構(gòu)成的轉(zhuǎn)子和由繞組構(gòu)成的定子。對于常見的三相BLDC電機，其定子是由三相繞組構(gòu)成，并且做星形連接，要使BLDC電機轉(zhuǎn)動，必須要有旋轉(zhuǎn)磁場。而BLDC的機械結(jié)構(gòu)決定了其轉(zhuǎn)子的機械旋轉(zhuǎn)速度與定子旋轉(zhuǎn)磁通是同步的。這樣，要控制BLDC，就必須在知道其轉(zhuǎn)子的精確位置的前提下，以特定的通電順序給定子繞組通電，也就是通常所說的"換相"。
要使BLDC電機正確地換相，關(guān)鍵是精確知道轉(zhuǎn)子的位置。要知道轉(zhuǎn)子的精確位置，有幾種不同的方法。可以使用某種形式的位置傳感器來測量轉(zhuǎn)子的位置，常用的是安裝在電機轉(zhuǎn)軸上的光電式軸角編碼器或檢測轉(zhuǎn)子磁體位置的霍爾傳感器。這樣的控制方式通常稱為有傳感器的BLDC控制法。使用位置傳感器方便直觀，但控制系統(tǒng)的成本和機械復(fù)雜度較高，而且在某些情形下使用困難。比如在空調(diào)或冰箱等采用壓縮機的應(yīng)用里，電機需要浸沒在液體里面運行，機械裝配等因素也有很大的限制，使得使用傳感器的控制方法不太適用。在這樣的應(yīng)用環(huán)境下，就要求使用無傳感器的控制方法。
無傳感器的控制方法，雖然沒有使用真實的傳感器，實際上還是需要測量轉(zhuǎn)子的精確位置，只不過它使用了其它的手段，間接地測量而已?？梢圆捎梅措妱觿莘ā⑾嚯娏鞣ê屠m(xù)流二極管法等幾種方法來實現(xiàn)，其中反電動勢法(BEMF)則是最常用的。
對于普通的120°通電的三相BLDC電機，電機工作時任一時刻三個定子繞組中總有一個繞組是不通電的。根據(jù)沒有通電的那個定子繞組在切割旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁力線時而產(chǎn)生的反電動勢來推算轉(zhuǎn)子的位置。通過分析這個反電動勢的幅度、相位和變化趨勢，就可以知道轉(zhuǎn)子的精確位置了。下面的方案就是基于不通電相的BEMF過零檢測方法，采用了Microchip公司的dsPIC30F數(shù)字信號控制器完成所有的控制功能。
選擇BEMF的過零檢測技術(shù)，是因為它具有一系列的優(yōu)點，而這些優(yōu)點對于家電應(yīng)用來說，尤為重要。這種技術(shù)對電機的適應(yīng)性強，適用于多種電機，適用于Y型連接和Δ型連接的電機，不需要精確了解電機特性，對電機的制造公差要求不太嚴格，對電壓控制和電流控制都有效。
對于BEMF相電壓，它的數(shù)學(xué)表達如下：要使BLDC電機正確地換相，關(guān)鍵是精確知道轉(zhuǎn)子的位置。要知道轉(zhuǎn)子的精確位置，有幾種不同的方法?？梢允褂媚撤N形式的位置傳感器來測量轉(zhuǎn)子的位置，常用的是安裝在電機轉(zhuǎn)軸上的光電式軸角編碼器或檢測轉(zhuǎn)子磁體位置的霍爾傳感器。這樣的控制方式通常稱為有傳感器的BLDC控制法。使用位置傳感器方便直觀，但控制系統(tǒng)的成本和機械復(fù)雜度較高，而且在某些情形下使用困難。比如在空調(diào)或冰箱等采用壓縮機的應(yīng)用里，電機需要浸沒在液體里面運行，機械裝配等因素也有很大的限制，使得使用傳感器的控制方法不太適用。在這樣的應(yīng)用環(huán)境下，就要求使用無傳感器的控制方法。
無傳感器的控制方法，雖然沒有使用真實的傳感器，實際上還是需要測量轉(zhuǎn)子的精確位置，只不過它使用了其它的手段，間接地測量而已?？梢圆捎梅措妱觿莘ā⑾嚯娏鞣ê屠m(xù)流二極管法等幾種方法來實現(xiàn)，其中反電動勢法(BEMF)則是最常用的。
對于普通的120°通電的三相BLDC電機，電機工作時任一時刻三個定子繞組中總有一個繞組是不通電的。根據(jù)沒有通電的那個定子繞組在切割旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁力線時而產(chǎn)生的反電動勢來推算轉(zhuǎn)子的位置。通過分析這個反電動勢的幅度、相位和變化趨勢，就可以知道轉(zhuǎn)子的精確位置了。下面的方案就是基于不通電相的BEMF過零檢測方法，采用了Microchip公司的dsPIC30F數(shù)字信號控制器完成所有的控制功能。
選擇BEMF的過零檢測技術(shù)，是因為它具有一系列的優(yōu)點，而這些優(yōu)點對于家電應(yīng)用來說，尤為重要。這種技術(shù)對電機的適應(yīng)性強，適用于多種電機，適用于Y型連接和Δ型連接的電機，不需要精確了解電機特性，對電機的制造公差要求不太嚴格，對電壓控制和電流控制都有效。
對于BEMF相電壓，它的數(shù)學(xué)表達如下：
當(dāng)速度大于零時，則每個電周期中某相的BEMF為零的位置只有二個，可以通過下圖中過零點的斜率來區(qū)分這二個位置。其中每一段對應(yīng)電周期中的一個60°部分，換相發(fā)生在每一段的邊界處，因此需要檢測段的邊界。BEMF過零點和需要換相的位置之間有30°的偏移，必須對其進行補償，以確保電機平穩(wěn)高效地運轉(zhuǎn)。以上的描述是針對Y型連接的電機而言。對于Δ型連接的電機，具體實現(xiàn)方法有所不同。從硬件的實現(xiàn)上來看，可以采用以下電路。具體的過零檢測可以這樣實現(xiàn)：首先通過分壓器和dsPIC的片上AD轉(zhuǎn)換器監(jiān)測所有的三相端電壓和VDC；然后在相應(yīng)的時間段內(nèi)檢測相BEMF何時經(jīng)過1/2VDC。對于某個特定的時間段，只需監(jiān)測其中一相的電壓。使用dsPIC片上的一個定時器測量二次過零點之間的時間，然后將這個時間除以2后加載到另一個定時器中以進行所需的30°補償。
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