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)化了軟硬件的設計,結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：快速復雜和靈活的中斷處理,豐富的數(shù)字和模擬片上外設,靈活的電源管理能力,可靈活使用的多種時鐘模式,上電復位和掉電保護,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用,如BLDC電機、單相和三相感應電機(ACIM)和開關磁阻電機等。該系列同時也適用于不間斷電源(UPS)、逆變器、開關電源和功率因數(shù)校正(PFC)等電源變換應用。

BLDC電機是變頻家電首選

各種變頻家電,雖然具體應用各具特色,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電機的結構與普通的直流電機不同,它具有一個由永磁體構成的轉子和由繞組構成的定子。對于常見的三相BLDC電機,其定子是由三相繞組構成,并且做星形連接,如圖所示。

基本的BLDC電機模型

要使BLDC電機轉動,必須要有旋轉磁場。而BLDC的機械結構決定了其轉子的機械旋轉速度與定子旋轉磁通是同步的。這樣,要控制BLDC,就必須在知道其轉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"。

BLDC電機換相圖

要使BLDC電機正確地換相,關鍵是精確知道轉子的位置。要知道轉子的精確位置,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子的位置,常用的是安裝在電機轉軸上的光電式軸角編碼器或檢測轉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?、相電流法和續(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的轉子所產(chǎn)生的磁力線時而產(chǎn)生的反電動勢來推算轉子的位置。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,是因為它具有一系列的優(yōu)點,而這些優(yōu)點對于家電應用來說,尤為重要。這種技術對電機的適應性強,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)學表達如下：

當速度大于零時,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。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。

BEMF過零檢測示意圖

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轉換器監(jiān)測所有的三相端電壓和VDC;然后在相應的時間段內(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。

BEMF檢測硬件示例

實際的BEMF波形圖

有了精確的轉子位置檢測就可以實現(xiàn)正確換相,有了正確換相就可以讓BLDC電機正確地轉動,但為了改變BLDC電機的轉速,還需要改變加在BLDC電機定子繞組上的端電壓。為了滿足這個要求,可以使用dsPIC30F所配備的電機控制專用脈寬調(diào)制輸出硬件(MCPWM)。從下圖可以看到,這是針對電機控制而專門設計的PWM電路,具有三對六路互補PWM發(fā)生器,每一對PWM分別配備了死區(qū)發(fā)生器和手動改寫邏輯,專用的時基發(fā)生電路,具有中心對齊或邊沿對齊輸出方式。采用這個專用的硬件外設后,可以大大地簡化軟硬件的設計,同時極大地提高整個控制系統(tǒng)的安全可靠性。

dsPIC中MCPWM的框圖

整個變頻部分的電路結構如下圖所示：

整個變頻部分的電路結構

而控制算法則可采用常見的PID方法,通過MCPWM控制電壓和電流,由BEMF檢測提供速度/位置/方向信息,由dsPIC完成閉環(huán)控制,整個系統(tǒng)簡潔高效,充分發(fā)揮了dsPIC的處理能力。

由dsPIC完成閉環(huán)控制

開發(fā)工具/環(huán)境的支持

任何一種單片機或是DSP,都需要開發(fā)工具的支持才能完成應用,dsPIC也不例外。好在Microchip在嵌入式控制領域具有豐富的經(jīng)驗,早就為DSC系列準備了完整的軟硬件開發(fā)工具、應用程序庫、開發(fā)板和參考設計。

首先是MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(IDE),這是Microchip公司所有單片機和DSP產(chǎn)品統(tǒng)一的開發(fā)平臺,用于開發(fā)dsPIC30F的所有工具都是在這個平臺中工作的。這個功能強大又易于使用的MPLAB IDE擁有32位調(diào)試環(huán)境所具備的所有高級編輯/編譯/調(diào)試功能。MPLAB IDE不僅集成了軟件,而且也集成了Microchip公司的硬件工具和許多第三方工具。MPLAB IDE可運行于Windows? XP、2000、ME、98 SE和NT,內(nèi)置功能強大的代碼編輯器,可用顏色區(qū)分代碼的功能,大大提高編輯的效率,有助于減少語法錯誤。支持項目建立和管理,可進行匯編和C源代碼級調(diào)試。具有靈活的觀察窗口,也可以將鼠標移動到變量上直接查看變量的值。

dsPIC30F有豐富的軟硬件開發(fā)工具的支持,其中包括許多優(yōu)秀的免費和廉價工具。對于初次使用的開發(fā)者,建議使用MPLAB ICD 2在線調(diào)試器和MPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境。只需要非常小的投資您就可以馬上開始您的項目了。

全部的開發(fā)工具包括：

除了上面列出的基本的開發(fā)工具,對于具有強大DSP處理能力的dsPIC,Microchip還提供了更多的軟件工具,便開發(fā)工作更容易,效率更高。這些高級軟件工具包括：
MPLAB VDI可視化器件初始化程序
dsPICworks?數(shù)據(jù)分析和DSP軟件
數(shù)字濾波器設計CAD輔助軟件
大量的常用數(shù)學庫和DSP算法庫
外圍驅動程序庫
大量的實用連接庫,包括TCP/IP協(xié)議棧和嵌入式軟Modem庫等等
更多現(xiàn)成的應用程序庫,包括語音識別、噪聲抑制、加解密、回聲消除、電機控制、RTOS及通訊驅動程序（如OSEK和CAN驅動程序）等等

有了上面這些強大易用的軟硬件開發(fā)工具的支持,在dsPIC上的開發(fā)甚至比傳統(tǒng)的單片機更加容易上手,開發(fā)效率更高,開發(fā)時間更短。以上面的變頻空調(diào)為例,就是在這樣的開發(fā)環(huán)境里采用匯編(MPLAB ASM30)和C語言(MPLAB C30)混合編程開發(fā)完成的。初期采用軟件仿真(MPLAB SIM30)完成算法和邏輯部分的代碼編寫和除錯,然后用MPLAB ICD 2在線調(diào)試器和MPLAB ICE 4000在線仿真器進行實時仿真,最后利用MPLAB PM3器件編程器把目標代碼寫入dsPIC30F的閃存中進行最后的脫機調(diào)試和驗證,直至完成整個開發(fā)。整個過程都是在MPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境中一氣呵成。

（變頻空調(diào)項目的開發(fā)環(huán)境）

綜上所述,隨著生活水平的提高以及控制理論和半導體工業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)家電正在經(jīng)歷一場變頻化的革命。而這場變頻技術革命的核心,就是高性能低成本的嵌入式控制芯片。Microchip公司的dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器,融合了最新的16位單片機性能和DSP運算所需要的所有功能,配合為電機的變頻控制而優(yōu)化設計的專用片上硬件,可以很好地完成各類電機的控制應用,是變頻家電控制器嵌入式控制芯片的理想選擇。