利用單個DSP控制器集成

多種系統(tǒng)功能

一款專為省電和省水洗衣機設(shè)計的無刷直流馬達控制電路如圖1所示。這個控制電路以一顆DSP控制器為核心，不僅能控制主要驅(qū)動馬達的操作，還有充裕的效能管理，可輔助水泵和螺線管等組件，以便提供水量和洗衣精劑量控制等其它功能。該控制器還能執(zhí)行有源功率因數(shù)校 正，讓家電產(chǎn)品從交流輸入電源汲取更多電力。

控制器的主要工作是產(chǎn)生多種高頻、高分辨率的脈寬調(diào)制(PWM)信號，另外，它還必須具備充分的運算能力來執(zhí)行先進算法，以便將轉(zhuǎn)矩紋波減至最小、進行線上參數(shù)調(diào)整并提供精確的轉(zhuǎn)速控制。除此之外，還必須縮小設(shè)計體積并減少組件數(shù)量，使它更容易生產(chǎn)制造。

DSP控制器內(nèi)置多種功能以便執(zhí)行前述所有工作，包括1個40MIPS的16位定點DSP內(nèi)核、16個以上的PWM通道、4個通用定時器、1個含有16個多路復用輸入通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、編碼器接口、串行通信接口、SPI連接端口以及1個看門狗定時器。該器件的PWM輸出數(shù)目足以控制1個三相電壓源逆變器，而前端升壓轉(zhuǎn)換器則能實現(xiàn)有源功率因數(shù)校正電路。剩下的PWM通道可用于其它功能，例如熱水器伺服系統(tǒng)和輔助馬達驅(qū)動裝置。片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器則可用來測量各種系統(tǒng)輸入，如馬達相位電流和功率因數(shù)校正電路的直流總線電壓等。由于該器件提供多達16個通道，其它輸入可用來測量水溫和水位等操作條件。

馬達驅(qū)動算法和其它軟件模塊

馬達驅(qū)動裝置共有三大軟件模塊：變速操作所需的閉環(huán)空間向量脈寬調(diào)制(SVPWM)模塊、前端輸入功率因數(shù)校正，以及一個主要做為控制器與用戶控制面板之間界面的通信模塊。本文著重介紹了SVPWM模塊?？臻g向量PWM技術(shù)具有多項優(yōu)點，從而勝過正弦波PWM等較簡單、效率較差的方法。在特定的直流鏈路電壓輸出下，SVPWM的三相馬達功率輸出比正弦波PWM饋電馬達的高出16%。圖2是SVPWM算法的結(jié)構(gòu)圖。

首先是產(chǎn)生參考電壓向量?？刂破鲿谥苯诱?d-q)平面上以特定的速度和振幅旋轉(zhuǎn)參考電壓向量，參考頻率ωsp由用戶提供，角頻率ωe則由頻率產(chǎn)生算法控制。角度積分器的8個高位作為指針，指向一個256字符的正弦波值查詢表。只要將一個固定值(步階幅度)加到此寄存器，指針就會以固定速率在表格上循環(huán)移動，并在移到表格尾端時折回表格的最前端繼續(xù)移動。它還需要sine(α)的值，以便將參考電壓向量分解成參考電壓向量所在扇形區(qū)(sector)的基本空間向量。由于6個扇形區(qū)都采用同樣的分解程序，系統(tǒng)只需一份60°的正弦波值查詢表。在特定的步長幅度下，參考電壓V*的角頻率(周期/秒)等于：

其中fs是采樣頻率，Step等于角度的步長增量，m則是積分寄存器的位數(shù)。

設(shè)定PWM頻率fS=20kHz，step=1，m=16，頻率分辨率就變成0.061Hz，這表示設(shè)計人員對逆變器輸出頻率的控制精確度能達到0.1Hz。查詢表的大小也會影響合成正弦波的諧波失真度。假設(shè)表格有256個字段，角度變動范圍為60°，那么角度查詢的分辨率就等于60°/256=O.230°。

第二步是把參考電壓向量變換成下列所述的一組開關(guān)變量。三相電壓源逆變器可以產(chǎn)生8個基本向量。系統(tǒng)則會通過線性組合的方式，將兩個相鄰的基本向量Vx與Vy，以及兩個零向量中的任何一個向量組成特定扇形區(qū)的參考電壓向量V*。此時參考向量可以寫成：

其中：Vz是零向量，dx、dy和dz則是x、Y和z狀態(tài)在PWM切換間隔的占空比。這些占空比的總和等于100%的PWM周期(dx+dy+dz=1)?，F(xiàn)在：

其中M是調(diào)制指數(shù)。并且求得：

d-q參考坐標能對齊任伺一個基本向量，所以這些方程式可用于6個扇區(qū)。算法還必須計算比較值，然后將新值存入PWM模塊。計算出特定參考電壓V*的PWM占空比后，系統(tǒng)在每個PWM周期(50μs)都會計算3個新的比較值(Ta、Tb和Tc)以產(chǎn)生開關(guān)模式。

這些值會加載到PWM比較寄存器，控制器會在下個PWM周期開始時更新占空比。

馬達轉(zhuǎn)速信息來自25齒的鏈輪和霍爾效應傳感器，再由器件的采集模塊精確記錄霍爾效應傳感器的輸出。DSP計算最近25個周期的測量結(jié)果平均值，以避免轉(zhuǎn)速測量常見的測量抖動現(xiàn)象。系統(tǒng)利用平均算法得到可靠的周期測量值后，即可計算周期的倒數(shù)來取得角速度(頻率)。最后再由傳統(tǒng)的比例積分算法執(zhí)行閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制。

尺寸遠遠小于任何無源濾波器。這種有源功率因數(shù)校正機制應符合未來任何嚴格的電力品質(zhì)法規(guī)要求。

實驗結(jié)果

我們構(gòu)建了圖3所示的250W實驗板，它能提供上述的所有功能。驅(qū)動頻率可以從0至60Hz。三相電壓源逆變器和升壓轉(zhuǎn)換器都使用功率MOSFET。升壓轉(zhuǎn)換電路的電感大約等于150pH。控制軟件則使用匯編語言，這些匯編語言長度小于4k個字符，全部儲存在DSP控制器的閃存中。這套系統(tǒng)也能改用內(nèi)含ROM內(nèi)存的DSP控制器，以進一步降低系統(tǒng)的總成本。圖4顯示輸入電源的電壓與電流幾乎沒有相位差，證明輸入功率因數(shù)已獲得大幅改進。[!--empirenews.page--]

 表1是各種軟件模塊所需的DSP控制器頻寬。執(zhí)行這些功能顯然只會占用DSP的部份效能，這表示設(shè)計人員還能視應用需要采用更先進的算法。