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(qiáng)的性能等特點(diǎn)。 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(jì),結(jié)合了單片機(jī)的易用性、低成本和DSP的強(qiáng)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(qiáng)大的16位單片機(jī)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(shí)鐘模式,上電復(fù)位和掉電保護(hù),看門狗定時(shí)器,代碼加密,全速實(shí)時(shí)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(jī)控制和電源變換系列以及傳感器系列。其中的電機(jī)控制系列,目前有7個產(chǎn)品,支持多種電機(jī)控制應(yīng)用,如BLDC電機(jī)、單相和三相感應(yīng)電機(jī)(ACIM)和開關(guān)磁阻電機(jī)等。該系列同時(shí)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(jī)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(jī)的變頻控制。其中雖然各類電機(jī)都有應(yīng)用,但直流無刷電機(jī)（BLDC電機(jī)）由于具有起動力矩大,起動電流小,運(yùn)行效率高,調(diào)速性能好,噪聲低,體積小等眾多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為變頻家電首選的電機(jī)類型。

BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通的直流電機(jī)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(jī),其定子是由三相繞組構(gòu)成,并且做星形連接,如圖所示。

基本的BLDC電機(jī)模型

要使BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動,必須要有旋轉(zhuǎn)磁場。而BLDC的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了其轉(zhuǎn)子的機(jī)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"。

BLDC電機(jī)換相圖

要使BLDC電機(jī)正確地?fù)Q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(jī)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(jī)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(jī)的應(yīng)用里,電機(jī)需要浸沒在液體里面運(yùn)行,機(jī)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(shí)的傳感器,實(shí)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(shí)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(jī),電機(jī)工作時(shí)任一時(shí)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(shí)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?yàn)樗哂幸幌盗械膬?yōu)點(diǎn),而這些優(yōu)點(diǎn)對于家電應(yīng)用來說,尤為重要。這種技術(shù)對電機(jī)的適應(yīng)性強(qiáng),適用于多種電機(jī),適用于Y型連接和Δ型連接的電機(jī),不需要精確了解電機(jī)特性,對電機(jī)的制造公差要求不太嚴(yán)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(dá)如下：

當(dāng)速度大于零時(shí),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(diǎn)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(diǎn)和需要換相的位置之間有30°的偏移,必須對其進(jìn)行補(bǔ)償,以確保電機(jī)平穩(wěn)高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。以上的描述是針對Y型連接的電機(jī)而言。對于Δ型連接的電機(jī),具體實(shí)現(xiàn)方法有所不同。

BEMF過零檢測示意圖

從硬件的實(shí)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(shí)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(shí)間段內(nèi)檢測相BEMF何時(shí)經(jīng)過1/2VDC。對于某個特定的時(shí)間段,只需監(jiān)測其中一相的電壓。使用dsPIC片上的一個定時(shí)器測量二次過零點(diǎn)之間的時(shí)間,然后將這個時(shí)間除以2后加載到另一個定時(shí)器中以進(jìn)行所需的30°補(bǔ)償。

BEMF檢測硬件示例

實(shí)際的BEMF波形圖

有了精確的轉(zhuǎn)子位置檢測就可以實(shí)現(xiàn)正確換相,有了正確換相就可以讓BLDC電機(jī)正確地轉(zhuǎn)動,但為了改變BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)速,還需要改變加在BLDC電機(jī)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(jī)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(jī)控制而專門設(shè)計(jì)的PWM電路,具有三對六路互補(bǔ)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(shí)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(shè)后,可以大大地簡化軟硬件的設(shè)計(jì),同時(shí)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(jié)構(gòu)如下圖所示：

整個變頻部分的電路結(jié)構(gòu)

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(jī)或是DSP,都需要開發(fā)工具的支持才能完成應(yīng)用,dsPIC也不例外。好在Microchip在嵌入式控制領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗(yàn),早就為DSC系列準(zhǔn)備了完整的軟硬件開發(fā)工具、應(yīng)用程序庫、開發(fā)板和參考設(shè)計(jì)。

首先是MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(IDE),這是Microchip公司所有單片機(jī)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(qiáng)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(yùn)行于Windows? XP、2000、ME、98 SE和NT,內(nèi)置功能強(qiáng)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(xiàng)目建立和管理,可進(jìn)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(biāo)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(fèi)和廉價(jià)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(xiàng)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(qiáng)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(shè)計(jì)CAD輔助軟件
大量的常用數(shù)學(xué)庫和DSP算法庫
外圍驅(qū)動程序庫
大量的實(shí)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(yīng)用程序庫,包括語音識別、噪聲抑制、加解密、回聲消除、電機(jī)控制、RTOS及通訊驅(qū)動程序（如OSEK和CAN驅(qū)動程序）等等

有了上面這些強(qiáng)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(jī)更加容易上手,開發(fā)效率更高,開發(fā)時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)仿真,最后利用MPLAB PM3器件編程器把目標(biāo)代碼寫入dsPIC30F的閃存中進(jìn)行最后的脫機(jī)調(diào)試和驗(yàn)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(xiàng)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(dǎo)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(shù)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(jī)性能和DSP運(yùn)算所需要的所有功能,配合為電機(jī)的變頻控制而優(yōu)化設(shè)計(jì)的專用片上硬件,可以很好地完成各類電機(jī)的控制應(yīng)用,是變頻家電控制器嵌入式控制芯片的理想選擇。