采用FOC算法实现基于DSC的无传感器永磁同步电机控制

    出于对环境保护的考虑，预计更新的法规会不断颁布出来，以要求开发更加节能高效的家用电器，例如洗衣机或空调。迄今为止，只有少数几家供应商推出的专有解决方案，提供了尖端的电机控制技术，可支持能效更高、噪声更低的电器。不过，现在有了崭新的变化——得益于新一代数字信号控制器(DSC)，以高成本效益方式实现高级电机控制算法已成为现实。

以要求通过改变电机速度来快速响应洗涤和漂洗过程的洗衣机为例。为了让洗衣机能够完成这一任务，设计人员需采用高级电机控制算法。在众多可用的高级电机控制技术中，场定向控制(FOC)技术脱颖而出，它可帮助人们设计节能安静的洗衣机。假设读者已具有FOC算法的应用知识，本文从采用DSC实现基于FOC的无传感器PMSM控制开始，主要介绍如何在电器中实现基于永磁同步电机(PMSM)的无传感器FOC控制，以便为电器电机控制带来最大的成本效益。

对于无法部署位置或速度传感器的一些应用，无传感器FOC技术还可以克服一些由此产生的限制。例如，在一些压缩机应用中，电机充满机油会对线束布局有一些限制。在电器中采用PMSM电机时，由于PMSM电机转子上的永磁体产生的转子磁场是恒定的，所以可以提供极高的效率。此外，电机的定子磁场通过正弦分布的绕组产生。与感应电机相比，PMSM电机还具有极高的功率/尺寸比。与直流电机相同，它们的电气噪声也较低，因为它们不采用电刷。

为什么在电机控制中采用DSC？

DSC非常适合于洗衣机之类的电器，因为它们具有针对电机控制而定制的外设，例如脉宽调制器(PWM)、模数转换器(ADC)和正交编码器接口。在执行控制器程序和实现数字滤波器时，由于DSC能够在单周期中执行MAC指令和小数运算，所以可以帮助设计人员优化代码的执行。此外，对于需要饱和功能的运算，DSC提供了硬件饱和保护功能，可帮助设计人员避免发生溢出。

DSC 需要快速灵活的ADC来进行电流检测，这是电机控制中的一项关键功能。Microchip dsPIC DSC系列提供了这样的ADC，能够以1Msps的速率转换输入采样，可同时处理最多4路输入。这些ADC具有多种触发选项，支持采用低成本的电流检测电阻来测量电机相绕组电流。例如，可以通过PWM模块触发A/D转换，从而支持低成本的电流检测电路。在特定的时间，开关晶体管允许电流流入检测电阻，可在此时对输入进行检测。

采用的电机控制开发工具

本文讨论的FOC电机控制固件基于 Microchip的dsPICDEM MC1电机控制开发板。FOC算法采用Microchip的数据监视与控制界面(DMCI)工具进行测试和调试，该工具是MPLAB集成开发环境 (IDE)的一个模块。DMCI工具提供了快速的动态IDE，让设计人员可以用图形方式来表示应用反馈。例如，在DMCI的IDE中，程序符号(变量)可以动态地分配给滚动条、直接输入或布尔控件的任意组合，而IDE提供了对于这些符号(变量)的项目知悉导航功能。通过这些控件，用户可以在DMCI IDE中交互式地更改程序变量的值。此外，用户还可以动态地配置图形，以查看程序生成的数据。

在系统结构框图(图1)中，可以看到电机轴上没有安装位置传感器，但电机上采用了一些传感器来测量电流。这些传感器的电感电阻较低，它们属于逆变器功能模块的一部分。这里采用一个三相逆变器作为功率级，用来驱动电机绕组(图2)。
 

图1：USB界面专用充电器。

图2：三相逆变器驱动PMSM绕组。

FOC(或矢量控制)算法的简要步骤

以下总结了控制PMSM的FOC算法步骤。

1.先测量三相定子电流ia和ib。根据ia+ib+ic=0，计算来自两个电流传感器的电流。

2.将三相电流转换到2轴坐标系中。该转换根据测量的ia、ib和ic值得到变量iα和iβ。从定子的角度来说，iα和iβ是时变正交电流值。该步骤称为Park变换。

3.采用控制循环上一次迭代时计算的变换角旋转2轴坐标系，使之与转子磁通对齐。该转换根据iα和iβ得到变量id和iq。现在，将正交电流id和iq变换到旋转坐标系中。在稳态条件下，id和iq将保持恒定。该步骤称为Clarke变换。