數字信號控制器在變頻家電中的應用

與之前的傳統家電相比,變頻家電普遍具有節能、靜音和增強的性能等特點。 Microchip推出了dsPIC數字信號控制器系列,專門針對嵌入式變頻控制的需求而優化了軟硬件的設計,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,調速性能好,噪聲低,體積小等眾多優點,已經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。可以使用某種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。可以采用反電動勢法、相電流法和續流二極管法等幾種方法來實現,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。根據沒有通電的那個定子繞組在切割旋轉的轉子所產生的磁力線時而產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點,而這些優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。