基于8位单片机实现电机和PFC控制

　　印度政府鼓励市民使用高能效的家用电器，以最大限度地降低本国的人均耗电量。众多非节能型家用电器，使得年均耗电量有望呈指数增长。为了提高向住宅、办公楼和工厂输送电力的电网的功率效率，降低其功率损耗，许多设计机构都开始考虑在其最新研发的设备中采用功率因数校正（PFC）技术来实现现代化电机驱动。因此，由于近年来电网传输线路中出现了高度非线性负载，PFC成为了电机控制驱动中的重要特性。

　　实现高能效电机设计的途径有多种。英飞凌公司推出了经济划算的高功率因素开发平台。通过将无传感器FOC和PFC控制集成到一个8位单片机XC836上，可以降低设备的总功耗，节约高昂的电费。本技术论文描述了全新高压无刷直流风扇电机驱动和PFC控制开发平台的详尽设计实例和实施技术。

　　图1所示为“有功功率”负载的功率耗散。由于其电抗性而只是被吸收到负载中并送还的功率，被称为“ 无功功率”。“视在功率”是交流电源的度量标准，是RMS电流与RMS电压的乘积。根据上面的等式，功率因素是有功功率与视在功率之比，因此，功率因素越小，则意味着电力的利用率越低。功率因素小于1，且尖峰负载造成谐波电流的设备的耗电量更高。也就是说，这种设备未能优化利用所供应的电力。像风扇和泵等家用电器的电机类似于感性负载。其电流的相位滞后于电压，根据相位角的余弦值，PF小于1.这将影响家用电器设备的可靠性、性能和经久耐用性。譬如，未实现PFC控制的典型PMSM风扇电机的PF约为0.45.

　　图1：功率三角函数。

　　图2所示为在整流桥与大电流电容器之前加装开关器件的PFC控制实现。由于PFC MOSFET要求12V开关电压，因此在MCU与MOSFET 之间加装了4只充当电平移动二极管的晶体管。借助简单的外接硬件电路，可以用更新、更高效的电机驱动应用来替换低效率的电机驱动应用。在这个平台中，英飞凌引入了直接、简单的软件临界导通模式（CRM）PFC控制，相比于分立式PFC芯片解决方案，前者要求单片机提供更多资源。

　　图2：整流后的VDC（a）；软件PFC控制VDC（b）。

　　图3所示为英飞凌提供的关键硬件器件。专用PFC硬件被设计为整个平台的一个组成部分。PFC硬件同AC-DC功率级和开关电源CoolSET控制器一并构成电源，以驱动三相门驱动器、MOSFET、XC836 MCU等器件。本文所述开发平台将XC836单片机用作微处理器。这个开发平台也可采用XC800家族的其他成员，并可支持脉宽调制器（PWM）、快速模数转换器（ADC）和高性能16位矢量计算机（CORDIC+MDU）。

　　图3：三相FOC电机驱动开发平台，实现了基于软件的PFC控制。

　　这个开发平台还为客户提供了一种利用FOC技术来评估永磁同步电动机（PMSM）控制应用的备选方法。此外，该开发平台也专门设计为可用于评估英飞凌单片机的实时功能的性能。

　　FOC是用于操作电机的技术，可以在任何速度实现平稳的高能效运行。利用FOC技术，可以大幅提高电机的能效，从而降低功耗，减轻噪声，提供卓越的扭矩动态。诸如风扇、空气泵等等成本敏感型设备通常要求实现无传感器控制。然而，利用流经电机线圈的电流提供的信息，可以估算出电机的电位。英飞凌目前推出的这个开发平台就实现了双并联电阻检测方法。

　　图4所示为无传感器FOC和PFC控制算法的简化框图。FOC方法生成的三相正弦信号允许轻松控制其频率和幅度，从而最大限度地降低电流，提高能效。其基本思路的核心是将三相信号变换为两路转子信号，反之亦然。在转子参考系中，电流是静止的，易于控制。反向矢量旋转致使控制电压旋转起来。从正交定子两相坐标系（α-β坐标系）中，得出通量估算器的输入信号。输出信号代表了转子角度。与此同时，PFC 的控制结构被划分为3个环路：Vdc控制环路、Iac检测控制环路和Vac输入检测环路。通过改变电流幅度信号的平均值来控制Vdc.Iac决定了PWM 负载周期脉冲。倍增Vac，以使得Iac具备与输入电压波形相同的波形。电流信号与Vac应当尽可能匹配，以实现高PF.

　　图4：无传感器FOC和PFC的简化框图。

　　由于整个平台都由XC836控制，因此重要的是理解低成本单片机的特性和外设适用于该应用。开发平台所用的外设旨在执行：计算矢量旋转和变换，如派克变换；提供16位分辨率，以生成高精度空间矢量PWM信号；控制空载时间，最大限度地减轻硬件工作量；同时对多个模拟通道进行取样以执行故障防护的方法；功能强大的电机控制外设集--CAPCOM6和10位模数转换器。

　　此外，该平台经专门设计，可利用PFC控制来驱动PMSM吊扇电机，并满足下例性能要求：典型交流电源输入范围（150~230VAC）；PFC最低为0.91@230VAC;功耗不足常规吊扇的1/2;系统总功耗不到31W@360rpm;直接替代市场上的常规吊扇；吊扇转速各异。

　　简而言之，这个开发平台旨在缩短具备高PF的高能效电机控制产品的上市时间，降低噪声，提高系统可靠性。目标应用为家用电器，如吊扇和各种类型的工业电机控制应用。