基于數字信號控制器的智能家電解決方案

摘要：本文將說明如何利用一個低成本的DSP控制器實現連續變速操作，進而滿足低成本應用的要求。

關鍵詞：數字信號控制器；馬達驅動；算法；SVPWM

利用單個DSP控制器集成多種系統功能

先進的新型DSP控制器能讓系統設計人員選擇效率更高的電動馬達，例如無刷直流馬達(BLDC)或永磁同步馬達(PMSM)等驅動裝置。這些馬達提供多項勝過有刷馬達和交流感應馬達的優勢。無刷直流馬達的轉子結構較輕，所以效率更高、操作更安靜、加速也更快。一款專為省電和省水洗衣機設計的無刷直流馬達控制電路如圖l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。該控制器還能執行有源功率因數校正，讓家電產品從交流輸入電源汲取更多電力。

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

DSP控制器內置多種功能以便執行前述所有工作，包括1個40MIPS的16位定點DSP內核、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位模數轉換器、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輸出數目足以控制1個三相電壓源逆變器，而前端升壓轉換器則能實現有源功率因數校正電路。剩下的PWM通道可用于其它功能，例如熱水器伺服系統和輔助馬達驅動裝置。片上模數轉換器則可用來測量各種系統輸入，如馬達相位電流和功率因數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。

馬達驅動算法和其它軟件模塊

馬達驅動裝置共有三大軟件模塊：變速操作所需的閉環空間向量脈寬調制(SVPWM)模塊、前端輸入功率因數校正，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。空間向量PWM技術具有多項優點，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算法的結構圖。

首先是產生參考電壓向量?？刂破鲿谥苯诱?d－q)平面上以特定的速度和振幅旋轉參考電壓向量，參考頻率ω_sp由用戶提供，角頻率ω_e則由頻率產生算法控制。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移動，并在移到表格尾端時折回表格的最前端繼續移動。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(sector)的基本空間向量。由于6個扇形區都采用同樣的分解程序，系統只需一份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：

ω=(Steop×fs)/(6×2^∞)

其中f_s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。

設定PWM頻率f_s=20kHz，Step=1，m=16，頻率分辨率就變成0.061Hz，這表示設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=0.2300°。

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

V^*=d_xx_s+d_yV_y+d_zV_z

其中：V_z是零向量，d_x、d_y和d_z則是X、Y和Z狀態在PWM切換間隔的占空比。這些占空比的總和等于100％的PWM周期(d_x+d_y+d_z=1)?，F在：

V^*=MV_maxe^ja=d_xV_x+d_yV_y+d_zV_z

其中M是調制指數。并且求得：

d_x=Msin(60-α

d_y=Msin(α)

d-q參考坐標能對齊任何一個基本向量，所以這些方程式可用于6個扇區。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，系統在每個PWM周期(50μs)都會計算3個新的比較值(T_a、T_b和T_c)以產生開關模式。

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個周期的測量結果平均值，以避免轉速測量常見的測量抖動現象。系統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來取得角速度(頻率)。最后再由傳統的比例積分算法執行閉環轉速控制。

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

實驗結果

我們構建了圖3所示的250W實驗板，它能提供上述的所有功能。驅動頻率可以從0至60Hz。三相電壓源逆變器和升壓轉換器都使用功率MOSFET。升壓轉換電路的電感大約等于150μH?？刂栖浖t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。這套系統也能改用內含ROM內存的DSP控制器，以進一步降低系統的總成本。圖4顯示輸入電源的電壓與電流幾乎沒有相位差，證明輸入功率因數已獲得大幅改進。

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