對于大多數家用電器制造商，提高電器效率和降低可聞噪聲是最優(yōu)先考慮的事項。通常，政府通過嚴格的法規(guī)來推動對效率的要求。然后，有一些消費者會愿意引領潮流，以相對較高的價格購買“更綠色”的電器。這驅使電器制造商研究相應的解決方案，解決效率和可聞噪聲方面的問題，同時讓增加的整體系統(tǒng)成本保持最低。例如，電器制造商希望設計出可以快速響應速度變化(包括洗滌和甩干兩個過程)的洗衣機。一些高級電機控制技術，如磁場定向控制(FOC)，也稱為矢量控制，有助于設計出更加安靜節(jié)能的洗衣機。
洗衣機控制拓撲
本文主要關注如何部署FOC來設計高效、安靜的洗衣機。通過分析洗衣機的構造，可以了解為什么需要高效的電機控制技術。如圖1所示，最新型的洗衣機帶有一個滾筒單元，該結構由BLDC電機或PMSM電機、電機控制器電路板、帶按鍵用戶界面電路板和顯示單元組成?？刂破麟娐钒搴陀脩艚缑骐娐钒蹇梢允褂么墟溌?如UART、SPI或專有串行協(xié)議)進行通信，用以設置所需的洗滌負載、漂洗速度，以及處理其他命令。根據所接收到的命令，電機控制器電路板會調整電機速度和扭矩。電機是洗衣機中最主要的用電部件，用電量可達總用電量的85%。因此，對于PMSM控制的任何改進，都可以顯著節(jié)省用電和成本。為此，高效的電機控制對于設計更好的電器非常關鍵。
圖1新型洗衣機的構造
新型信號控制器促進電器設計
半導體技術的發(fā)展促進了數字信號控制器(DSC)和功率電子開關的產生，它們可以用于設計變速電機。實際上，得益于DSC高效而高成本效益的電機功率管理，電器不再需要局限于使用一些定制的硬件和控制技術。例如，借助Microchip最新一代的dsPICDSC系列，電器制造商現(xiàn)在可以設計出顯著節(jié)省用電和成本的電機系統(tǒng)。這是因為dsPICDSC上包含專用于電機控制應用的外設。這些外設包括電機控制脈寬調制(MCPWM)、高速ADC和可擴展閃存程序存儲器。
此外，dsPIC DSC的DSP引擎還支持必需的快速數學運算，用于執(zhí)行需要大量計算的控制循環(huán)。本文將討論如何通過dsPICDSC使用FOC算法來控制洗衣機中的電機。在洗衣機中，dsPICDSC用作電機控制電路板上的信號控制器。用戶界面模塊可以采用8位單片機(MCU)進行處理，如Microchip的PIC16或PIC18系列MCU，可以針對三相感應電機(ACIM)、三相無刷直流(BLDC)電機或永磁同步電機(PMSM)分別實現(xiàn)FOC算法。由于構造方面的原因，PMSM電機的效率比ACIM電機高。以下將特別討論無傳感器FOC算法對于洗衣機中的PMSM電機是如何工作的。
為什么使用FOC算法?傳統(tǒng)的BLDC電機控制方法以六步方式驅動定子，會導致輸出轉矩出現(xiàn)振蕩。在六步控制方式中，先對兩個繞組通電，直到轉子到達下一個位置，然后電機換向到下一步?；魻杺鞲衅饔糜诖_定轉子位置，以便對電機進行電子換向。高級無傳感器FOC算法使用定子繞組中產生的反電動勢來確定轉子位置。六步控制(也稱為梯形控制)的動態(tài)響應本身就不適合用于洗衣機控制，因為一個洗滌周期中的負載會動態(tài)變化，并且實際負載還會因洗滌量和所選洗滌周期的不同而變化。此外，在前開式洗衣機中，當負載位于滾筒頂側時，電機負載要克服重力做功。只有高級算法(如FOC)可以處理這些動態(tài)負載變化。
FOC原理
FOC算法會產生矢量形式的3相電壓，用于控制三相定子電流。通過使用Park和Clarke變換將物理電流變換為旋轉矢量，轉矩和磁通分量不會隨時間變化(時間不變性)——使得可以與直流電機一樣，使用諸如比例積分(PI)控制器之類的傳統(tǒng)技術來進行控制。根據設計，在有刷直流電機中，定子磁通和轉子磁通之間的角度保持為90°，從而使電機產生可能的最大轉矩。通過使用FOC技術，電機電流變換為2軸矢量，就如直流電機中的電流。此過程的第一步是測量三相電機電流。在實際測量中，由于3個電流值的瞬時和為0，所以只需測量其中兩個電流，就可以確定第三個電流的值。此外，由于只需要兩個電流傳感器，因此還可以降低硬件成本。
