关于大多数家用电器制造商，进步电器功率和下降可闻噪声是最优先考虑的事项。一般，政府经过严厉的法规来推进对功率的要求。然后，有一些顾客会乐意引领潮流，以相对较高的价格购买“更绿色”的电器。这唆使电器制造商研讨相应的处理方案，处理功率和可闻噪声方面的问题，一起让增加的全体体系本钱坚持最低。例如，电器制造商期望规划出能够快速呼应速度改变(包括洗刷和甩干两个进程)的洗衣机。一些高档电机操控技能，如磁场定向操控(FOC)，也称为矢量操控，有助于规划出愈加安静节能的洗衣机。
洗衣机操控拓扑
本文首要重视怎么布置FOC来规划高效、安静的洗衣机。经过剖析洗衣机的结构，能够了解为什么需求高效的电机操控技能。如图1所示，最新式的洗衣机带有一个滚筒单元，该结构由BLDC电机或PMSM电机、电机操控器电路板、带按键用户界面电路板和显现单元组成。操控器电路板和用户界面电路板能够运用串行链路(如UART、SPI或专有串行协议)进行通讯，用以设置所需的洗刷负载、漂洗速度，以及处理其他指令。依据所接收到的指令，电机操控器电路板会调整电机速度和扭矩。电机http://bbsic.big-bit.com/是洗衣机中最首要的用电部件，用电量可达总用电量的85%。因而，关于PMSM操控的任何改进，都能够明显节约用电和本钱。为此，高效的电机操控关于规划更好的电器十分要害。
图1新式洗衣机的结构
新式信号操控器促进电器规划
半导体技能的开展促进了数字信号操控器(DSC)和功率电子开关的产生，它们能够用于规划变速电机。实践上，得益于DSC高效而高本钱效益的电机功率办理，电器不再需求局限于运用一些定制的硬件和操控技能。例如，凭借Microchip最新一代的dsPIC DSC系列，电器制造商现在能够规划出明显节约用电和本钱的电机体系。这是因为dsPIC DSC上包括专用于电机操控运用的外设。这些外设包括电机操控脉宽调制(MCPWM)、高速ADC和可扩展闪存程序存储器。
此外，dsPIC DSC的DSP引擎还支撑必需的快速数学运算，用于履行需求很多核算的操控循环。本文将评论怎么经过dsPIC DSC运用FOC算法来操控洗衣机中的电机。在洗衣机中，dsPIC DSC用作电机操控电路板上的信号操控器。用户界面模块能够选用8位单片机(MCU)进行处理，如Microchip的PIC16或PIC18系列MCU，能够针对三相感应电机(ACIM)、三相无刷直流(BLDC)电机或永磁同步电机(PMSM)别离完成FOC算法。因为结构方面的原因，PMSM电机的功率比ACIM电机高。以下将特别评论无传感器FOC算法关于洗衣机中的PMSM电机是怎么作业的。
为什么运用FOC算法?传统的BLDC电机操控办法以六步办法驱动定子，会导致输出转矩呈现振动。在六步操控办法中，先对两个绕组通电，直到转子抵达下一个方位，然后电机换向到下一步。霍尔传感器用于确认转子方位，以便对电机进行电子换向。高档无传感器FOC算法运用定子绕组中产生的反电动势来确认转子方位。六步操控(也称为梯形操控)的动态呼应自身就不合适用于洗衣机操控，因为一个洗刷周期中的负载会动态改变，而且实践负载还会因洗刷量和所选洗刷周期的不同而改变。此外，在前开式洗衣机中，当负载坐落滚筒顶侧时，电机负载要战胜重力做功。只要高档算法(如FOC)能够处理这些动态负载改变。
FOC原理
FOC算法会产生矢量办法的3相电压，用于操控三相定子电流。经过运用Park和Clarke改换将物理电流改换为旋转矢量，转矩和磁通重量不会随时刻改变(时刻不变性)——使得能够与直流电机相同，运用比如份额积分(PI)操控器之类的传统技能来进行操控。依据规划，在有刷直流电机中，定子磁通和转子磁通之间的视点坚持为90°，然后使电机产生或许的最大转矩。经过运用FOC技能，电机电流改换为2轴矢量，就如直流电机中的电流。此进程的第一步是丈量三相电机电流。在实践丈量中，因为3个电流值的瞬时和为0，所以只需丈量其间两个电流，就能够确认第三个电流的值。此外，因为只需求两个电流传感器，因而还能够下降硬件本钱。
Clarke改换
第一个改换称为Clarke改换，将以定子作为参照物的3轴二维坐标系转化为2轴坐标系，并坚持相同的参照物。如图2所示，其间，Ia、Ib和Ic是各个相电流。
图2 Clarke改换
此刻，定子电流相量能够在运用α-β轴的2轴正交坐标系上表明。下一步是改换为另一个2轴坐标系，称为d-q轴坐标系，它会随转子磁通而旋转，经过图3所示的Park改换完成。
图3 Park改换
当正弦输入电流施加到定子上时，会产生旋转磁通。转子的速度与旋转磁通矢量直接相关。磁通矢量有必要一直与转子磁极坚持对齐，以使电机产生最大的转矩。
图4给出了整个进程的图示，包括坐标改换、PI迭代、逆改换和产生PWM，还描绘了FOC操控所需的功用。差错信号依据Id、Iq和各自的参阅值而产生。Id参阅电流操控转子磁通。请记住，只要在负载安稳的条件下，Id和Iq(代表转矩和磁通)才具有时刻不变性。Iq参阅电流操控电机的转矩输出。PI操控器的输出供给Vd和Vq，它们构成发送到电机的电压矢量。新的改换角依据由Park逆改换产生的电压和由Park改换产生的电流进行估量。
图4 选用无传感器FOC算法操控的直接驱动洗衣机PMSM电机的运用框图
FOC算法运用新的改换角来确认下一个电压矢量的方位。经过运用新的改换角，PI操控器的Vd和Vq输出值被旋转改换到停止参阅坐标系。该核算产生正交电压值vα和vβ。下一步，对vα和vβ值进行逆改换，得到三相值va、vb和vc。三相电压值用于核算新的PWM占空比值，产生所需的电压矢量。
在FOC算法中，三相别离的PWM信号运用空间矢量调制(SVM)进行正弦波调制，并施加到电机的三相绕组。经过运用分流电阻，能够监督每个绕组中的电流，并将电流与依据电机特性的电气模型进行比较。电机供给商会供给电机的绕组特性，尽管它们也能够运用绕组的电感和电阻值进行丈量。转子方位经过依据电机模型间接丈量反电动势(EMF)来核算。经过推导等于丈量电流的预算电流，能够依据电机模型核算得到反电动势。
选用FOC办法能够为PMSM电机功率办理带来许多长处。例如，FOC能够改进PMSM电机的动态呼应，为比如洗衣机之类需求快速呼应速度改变(洗刷和甩干进程中)的电器带来长处。FOC支撑以较低的电流产生最佳的转矩，因为它能够操控电流的幅值和相位，并使定子和转子磁场之间的视点坚持90°。此外，因为FOC支撑在每个PWM周期中操控电机电流，所以能够从根本上约束电流。
数字信号操控器让电机操控变得简略
dsPIC等先进的DSC使电器规划师能够改进电机体系。若选用无传感器FOC算法，DSC将十分合适于操控PMSM电机。这是因为dsPIC DSC及其片上外设能够高效地履行FOC算法，完成在PMSM电机中检测转子方位的无传感器办法。dsPIC DSC快速而灵敏的ADC支撑电流检测，并供给了一些很有用的触发选项。例如，能够经过PWM模块触发ADC转化，然后支撑低本钱的电流检测电路：在特定的时刻，开关晶体管答应电流流过检测电阻，由检测电阻对输入电流进行检测。要害的是，dsPIC DSC的ADC具有一起捕捉多个信号的才能。经过这种功用，能够消除电机电流丈量中，两个相电流采样之间的延时。
DSC的电机操控算法依据FOC算法来确认PWM占空比和输出形式。PWM最重要的功用是带可编程死区的互补通道。PWM能够选用边缘对齐或中心对齐。中心对齐PWM的长处是能够下降电器操控体系发射的电磁噪声(EMI)。
dsPIC DSC系列的一切器材均供给了毛病和确诊接口，它们包括一些输入线，能够在体系产生严峻毛病时封闭PWM。例如，假如洗衣机的搅拌器因为滚筒中衣物环绕而受阻，应阻挠电机持续旋转，不然衣物或许会被撕裂。这种堵塞会表现为电机操控体系的过电流现象而被检测到，并经过运用毛病引脚封闭电机进行呼应。经过增加确诊功用，能够记载和/或显现这些类型的毛病，或许将它们传送到核算机中进行进一步的毛病扫除。这是十分重要的功用，因为它能够帮忙避免硬性毛病和缩短产品停机时刻。
洗衣机体系规划
依据前面概述的FOC电机操控概念，现在能够评论依据dsPIC DSC的洗衣机体系规划。图5给出了电机操控体系的框图。能够经过以下办法规划用于电器的可变电源：首要，运用单相二极管桥式整流器将沟通电源转化为直流。电压纹波运用一组电容滤除。该直流电压经过逆变，转化为具有可变频率的可变电压，并送到电机电源线。经过运用PWM技能，直流母线被调制为从逆变桥输出正弦电压。
图5 依据dsPIC DSC的洗衣机的体系框图
输入转化器部分中的整流桥将来自墙式电源插座的沟通电压转化为直流电压。依据电器的类型，或许还会有EMI按捺模块。一般，运用NTC(负温度系数)电阻来避免涌入电流。高压尖峰运用金属氧化物变阻器(MOV)进行按捺。在二极管整流桥的输出端，运用一组%&&&&&%来滤除直流纹波。
此外，输入转化器部分还具有有源PFC(功率因数校对)模块，使电路能契合一些欧洲动力法规。该有源PFC模块由一个电感、一个功率开关和一个二极管组成。DSC的ADC用于丈量来自直流母线的电流和电压值。依据这些输入，DSC运用PWM模块来操控功率开关。完成办法是在DSC中履行PID循环，使PF值坚持接近于1。
输出逆变器部分具有一个电压源逆变器，每个相位对应有两个功率开关，每个开关的两头均衔接有续流二极管。电机绕组衔接到开关的中心方位。来自“输入转化器模块”的直流电压运用该输出逆变器进行组成，取得用于操控电机的变压变频电源。
DSC与洗衣机的接口
经过拜访DSC的专用片上外设，能够简洁地完成操控算法。图6给出了依据dsPIC DSC操控器的洗衣机接口示例。DSC的ADC通道能够用于丈量电机电流、电机温度和散热器温度(衔接到功率开关)。依据运用的需求，还能够运用其他ADC通道来丈量温度或电流。
图6 在洗衣机中用作体系操控器的DSC
通用I/O用于接口开关和LCD或LED显现。在一些运用中，体系能够运用单个操控器来一起处理电机和体系操控。此外，还能够运用dsPIC DSC上的串行端口进行体系校准，以及确诊体系中的恣意毛病。
维护电器IP
在当今的全球化规划环境中，或许会有多个规划团队散布在多个规划地址，一起协作规划一系列电器。例如，用于洗衣机操控的FOC或许在地址A开发;面板规划和电子规划或许在地址B进行;而在地址C，体系集成商对电器进行终究的拼装和测验。一切这些规划团队将具有自己仅有的IP，并期望自己的IP能够遭到维护。因为预期到这种需求，dsP%&&&&&% DSC系列供给了CodeGuard安全功用，它支撑在需求进行协作规划的环境中维护IP。
定论
经过在电器规划中运用DSC，能够完成高效的无传感器FOC算法。经过选用FOC，在PMSM电机运用中，能够完成高达95%的高功率。此外，因为FOC能够帮忙操控定子电流，然后极大地减少了转矩纹波，所以能够规划出更安静的洗衣机。这能够帮忙节约用电，呼应动态负载改变，一起下降可闻噪声。
