基于8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)和PFC控制

　　印度政府鼓勵(lì)市民使用高能效的家用電器，以最大限度地降低本國(guó)的人均耗電量。眾多非節(jié)能型家用電器，使得年均耗電量有望呈指數(shù)增長(zhǎng)。為了提高向住宅、辦公樓和工廠輸送電力的電網(wǎng)的功率效率，降低其功率損耗，許多設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)都開(kāi)始考慮在其最新研發(fā)的設(shè)備中采用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此，由于近年來(lái)電網(wǎng)傳輸線路中出現(xiàn)了高度非線性負(fù)載，PFC成為了電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)中的重要特性。

　　實(shí)現(xiàn)高能效電機(jī)設(shè)計(jì)的途徑有多種。英飛凌公司推出了經(jīng)濟(jì)劃算的高功率因素開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)將無(wú)傳感器FOC和PFC控制集成到一個(gè)8位單片機(jī)XC836上，可以降低設(shè)備的總功耗，節(jié)約高昂的電費(fèi)。本技術(shù)論文描述了全新高壓無(wú)刷直流風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)和PFC控制開(kāi)發(fā)平臺(tái)的詳盡設(shè)計(jì)實(shí)例和實(shí)施技術(shù)。

　　圖1所示為“有功功率”負(fù)載的功率耗散。由于其電抗性而只是被吸收到負(fù)載中并送還的功率，被稱為“ 無(wú)功功率”?！耙曉诠β省笔墙涣?a target="_blank">電源的度量標(biāo)準(zhǔn)，是RMS電流與RMS電壓的乘積。根據(jù)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，則意味著電力的利用率越低。功率因素小于1，且尖峰負(fù)載造成諧波電流的設(shè)備的耗電量更高。也就是說(shuō)，這種設(shè)備未能優(yōu)化利用所供應(yīng)的電力。像風(fēng)扇和泵等家用電器的電機(jī)類(lèi)似于感性負(fù)載。其電流的相位滯后于電壓，根據(jù)相位角的余弦值，PF小于1.這將影響家用電器設(shè)備的可靠性、性能和經(jīng)久耐用性。譬如，未實(shí)現(xiàn)PFC控制的典型PMSM風(fēng)扇電機(jī)的PF約為0.45.

　　圖1：功率三角函數(shù)。

　　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(xiàn)。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(dāng)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(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用來(lái)替換低效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。在這個(gè)平臺(tái)中，英飛凌引入了直接、簡(jiǎn)單的軟件臨界導(dǎo)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(jī)提供更多資源。

　　圖2：整流后的VDC（a）；軟件PFC控制VDC（b）。

　　圖3所示為英飛凌提供的關(guān)鍵硬件器件。專用PFC硬件被設(shè)計(jì)為整個(gè)平臺(tái)的一個(gè)組成部分。PFC硬件同AC-DC功率級(jí)和開(kāi)關(guān)電源CoolSET控制器一并構(gòu)成電源，以驅(qū)動(dòng)三相門(mén)驅(qū)動(dòng)器、MOSFET、XC836 MCU等器件。本文所述開(kāi)發(fā)平臺(tái)將XC836單片機(jī)用作微處理器。這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)也可采用XC800家族的其他成員，并可支持脈寬調(diào)制器（PWM）、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和高性能16位矢量計(jì)算機(jī)（CORDIC+MDU）。

　　圖3：三相FOC電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于軟件的PFC控制。

　　這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)還為客戶提供了一種利用FOC技術(shù)來(lái)評(píng)估永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）控制應(yīng)用的備選方法。此外，該開(kāi)發(fā)平臺(tái)也專門(mén)設(shè)計(jì)為可用于評(píng)估英飛凌單片機(jī)的實(shí)時(shí)功能的性能。

　　FOC是用于操作電機(jī)的技術(shù)，可以在任何速度實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的高能效運(yùn)行。利用FOC技術(shù)，可以大幅提高電機(jī)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(shè)備通常要求實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制。然而，利用流經(jīng)電機(jī)線圈的電流提供的信息，可以估算出電機(jī)的電位。英飛凌目前推出的這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)就實(shí)現(xiàn)了雙并聯(lián)電阻檢測(cè)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(hào)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(hào)變換為兩路轉(zhuǎn)子信號(hào)，反之亦然。在轉(zhuǎn)子參考系中，電流是靜止的，易于控制。反向矢量旋轉(zhuǎn)致使控制電壓旋轉(zhuǎn)起來(lái)。從正交定子兩相坐標(biāo)系（α-β坐標(biāo)系）中，得出通量估算器的輸入信號(hào)。輸出信號(hào)代表了轉(zhuǎn)子角度。與此同時(shí)，PFC 的控制結(jié)構(gòu)被劃分為3個(gè)環(huán)路：Vdc控制環(huán)路、Iac檢測(cè)控制環(huán)路和Vac輸入檢測(cè)環(huán)路。通過(guò)改變電流幅度信號(hào)的平均值來(lái)控制Vdc.Iac決定了PWM 負(fù)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(hào)與Vac應(yīng)當(dāng)盡可能匹配，以實(shí)現(xiàn)高PF.

　　圖4：無(wú)傳感器FOC和PFC的簡(jiǎn)化框圖。

　　由于整個(gè)平臺(tái)都由XC836控制，因此重要的是理解低成本單片機(jī)的特性和外設(shè)適用于該應(yīng)用。開(kāi)發(fā)平臺(tái)所用的外設(shè)旨在執(zhí)行：計(jì)算矢量旋轉(zhuǎn)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(hào)；控制空載時(shí)間，最大限度地減輕硬件工作量；同時(shí)對(duì)多個(gè)模擬通道進(jìn)行取樣以執(zhí)行故障防護(hù)的方法；功能強(qiáng)大的電機(jī)控制外設(shè)集--CAPCOM6和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

　　此外，該平臺(tái)經(jīng)專門(mén)設(shè)計(jì)，可利用PFC控制來(lái)驅(qū)動(dòng)PMSM吊扇電機(jī)，并滿足下例性能要求：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(guī)吊扇的1/2;系統(tǒng)總功耗不到31W@360rpm;直接替代市場(chǎng)上的常規(guī)吊扇；吊扇轉(zhuǎn)速各異。

　　簡(jiǎn)而言之，這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)旨在縮短具備高PF的高能效電機(jī)控制產(chǎn)品的上市時(shí)間，降低噪聲，提高系統(tǒng)可靠性。目標(biāo)應(yīng)用為家用電器，如吊扇和各種類(lèi)型的工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用。