電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、干衣機(jī)、冰箱、空調(diào)系統(tǒng)等家用電器的組成部分。近幾年對(duì)家電電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求發(fā)生了很大的變化。推動(dòng)這些變化的因素包括安全和環(huán)境友好要求、性能要求，以及制造成本。其中一個(gè)關(guān)鍵要求是實(shí)現(xiàn)高效率，這決定了需要使用采用先進(jìn)的控制算法的高能效電機(jī)進(jìn)行電機(jī)控制和家電控制。性能要求涵蓋了可變的電機(jī)轉(zhuǎn)速操作，并要求具有高動(dòng)量和廣泛的轉(zhuǎn)速范圍。與簡(jiǎn)單的換相控制相比，低噪聲要求更傾向于正弦驅(qū)動(dòng)。單相異步電機(jī)和通用電機(jī)正在被三相電機(jī)(交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)以及最主要的永磁同步電機(jī)(PMSM))取代，因?yàn)槿嚯姍C(jī)能夠滿足上述要求。通常需要對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī)進(jìn)行矢量控制。矢量控制提供卓越的動(dòng)態(tài)性能，可以在低速情況下利用完整的電機(jī)轉(zhuǎn)矩功能，在廣泛的速率范圍內(nèi)在每個(gè)工作點(diǎn)高效地控制電機(jī)，并能夠單獨(dú)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和通量。最重要的是，對(duì)統(tǒng)一輸入功率因數(shù)的需求要求采用功率因數(shù)校正(PFC)電路。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)解決方案通常接近技術(shù)極限，在很大程度上由成本推動(dòng)。電機(jī)的大小和材料成本進(jìn)行了優(yōu)化，通常會(huì)產(chǎn)生非線性電機(jī)參數(shù)，會(huì)隨著電機(jī)溫度和電流而變化。電子硬件盡可能保持簡(jiǎn)單;設(shè)計(jì)人員通常不會(huì)使用昂貴、精準(zhǔn)的模擬元件，而實(shí)施專(zhuān)用軟件算法。位置或速度傳感器相當(dāng)昂貴，因此開(kāi)發(fā)人員側(cè)重于實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的操作，采用先進(jìn)的數(shù)學(xué)估算方法，根據(jù)外加電壓計(jì)算電機(jī)速度和位置，生成電流和電機(jī)參數(shù)。因此，電機(jī)控制不再是一種簡(jiǎn)單的算法，而成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要帶有專(zhuān)用外設(shè)的高性能微控制器和先進(jìn)的電機(jī)控制算法。
一些家電包含一個(gè)以上的電機(jī)。洗衣機(jī)就是一個(gè)例子，它有一個(gè)水泵和主驅(qū)動(dòng)器，空調(diào)則包括壓縮機(jī)和風(fēng)扇。過(guò)去，這些電機(jī)由單獨(dú)的電子電路驅(qū)動(dòng)。然而，為了實(shí)現(xiàn)最低的成本，出現(xiàn)了使用一個(gè)單一微控制器并行控制兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，從而最大限度地減少昂貴電子元件的數(shù)量。
通過(guò)推出集高性能、專(zhuān)用外設(shè)和低成本于一身的專(zhuān)用微控制器，將能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率、高性能和低廉的成本。飛思卡爾提供了完整的數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)系列，能夠滿足先進(jìn)的電機(jī)控制應(yīng)用的要求。DSC系列提供了用于數(shù)字電源轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制以及其他需要高速率和高分辨率控制環(huán)路功能的應(yīng)用的優(yōu)化解決方案。DSC系列結(jié)合了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的處理能力和微控制器功能以及一組靈活的外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。DSC系列最先推出基于16位56800E內(nèi)核的32MHz MC56F80xx器件，主要針對(duì)復(fù)雜驅(qū)動(dòng)器，如針對(duì)泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)的無(wú)傳感器矢量控制;接著推出了60MHz DSC，針對(duì)無(wú)傳感器洗衣機(jī)等要求苛刻的應(yīng)用，最新推出的是基于32位56800EX內(nèi)核的100MHz 56F84xx DSC，它專(zhuān)用于數(shù)字功率轉(zhuǎn)換和無(wú)傳感器雙電機(jī)控制。
100MHz 32位MC56F84xx是市場(chǎng)上速度最快的數(shù)字信號(hào)處理微控制器，提供卓越的精度、傳感和控制，用于最高效的數(shù)字功率電源轉(zhuǎn)換和先進(jìn)的電機(jī)控制應(yīng)用。100MHz / 100MIPS 32位56800EX內(nèi)核提供高級(jí)電源和電機(jī)控制應(yīng)用所需的數(shù)學(xué)功能。單周期數(shù)學(xué)運(yùn)算、分?jǐn)?shù)運(yùn)算支持和平行移動(dòng)提高了性能，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)更緊湊、更快的控制環(huán)路。MC56F84xx包含專(zhuān)用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的先進(jìn)的高速、高精度外設(shè)。具有312微微秒分辨率的高分辨率脈寬調(diào)制(eFlexPWM)模塊支持更高的交換頻率，能夠降低成本，提高效率。另一個(gè)PWM模塊支持實(shí)施雙電機(jī)控制。兩個(gè)12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供高達(dá)300ns/3.33Msps的采樣頻率，減少了輸入值的抖動(dòng)，從而提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。具有內(nèi)置溫度傳感器和帶隙的16位SAR ADC用于一般的應(yīng)用測(cè)量。4個(gè)模擬比較器具有集成的6位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，可加快系統(tǒng)事件識(shí)別，能夠在緊急情況下停止PWM輸出。多功能定時(shí)器允許單獨(dú)定時(shí)和生成PWM信號(hào)，可編程延遲模塊(PDB)用于實(shí)現(xiàn)與PWM脈沖同步的硬件ADC觸發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流重建。正交解碼器模塊對(duì)常用于工業(yè)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器的正交編碼器位置信號(hào)進(jìn)行解碼。64KB到288KB的閃存提供了主要數(shù)字功率和電機(jī)控制應(yīng)用所需的可擴(kuò)展性。直接存儲(chǔ)器存取(DMA)控制器減少了內(nèi)核中斷，提高了性能。飛思卡爾FlexMemory EEPROM提供了一個(gè)高速暫存存儲(chǔ)器(scratch pad)，用于存儲(chǔ)校準(zhǔn)和停機(jī)值。內(nèi)存保護(hù)功能能夠限制用戶代碼訪問(wèn)重要的內(nèi)存位置和為監(jiān)控人員預(yù)留的外設(shè)，從而提高了系統(tǒng)安全性。5V容錯(cuò)I/O提供了設(shè)計(jì)靈活性和系統(tǒng)成本節(jié)省。包括QSCI、QSPI、I2C/SMBus和FlexCAN在內(nèi)的豐富的通信外設(shè)允許與主從系統(tǒng)進(jìn)行各種連接。模塊間交叉開(kāi)關(guān)是一種獨(dú)特的外設(shè)，提供片上外設(shè)之間的通用連接：這些外設(shè)包括ADC、12位DAC、比較器、QuadTimers、eFlexPWM、PDB、EWM、正交解碼器、特定I/O引腳。
圖1 MC56F84xx框圖
具有功率因數(shù)校正的無(wú)傳感器雙正弦矢量控制是56F84xx的目標(biāo)應(yīng)用之一。該應(yīng)用常見(jiàn)于洗衣機(jī)中，洗衣機(jī)有一個(gè)DSC控制泵和主驅(qū)動(dòng)器，或者也常見(jiàn)于室外空調(diào)，其中有一個(gè)DSC控制風(fēng)扇和壓縮機(jī)。
此類(lèi)系統(tǒng)的應(yīng)用需求如下所示：
?對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行雙重控制
?同時(shí)對(duì)兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行正弦矢量控制(也稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制-FOC)
?無(wú)傳感器電機(jī)位置估算
?高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，寬轉(zhuǎn)速范圍
?8-16kHz的PWM頻率
?使用分流電阻的三相電流傳感(在某些情況下，可首選直流總線上的單一分流傳感)，直流總線電壓傳感
?輸入功率因數(shù)校正(取決于地區(qū)和總功率)
?硬件和軟件故障保護(hù)
?與主從系統(tǒng)的連接
?滿足IEC60730電器安全標(biāo)準(zhǔn)
該解決方案的概念如圖2所示。一個(gè)單一的DSC控制整個(gè)系統(tǒng)–兩個(gè)電機(jī)、PFC，提供了連接，還提供了電器自身的應(yīng)用控制。電源硬件包括共用直流總線電路的兩個(gè)逆變器、PFC電子元件、電流和電壓傳感以及輔助電源。
圖2 由MC56F84xx驅(qū)動(dòng)的PFC的雙電機(jī)控制
如上所述，在目前的電器中，高級(jí)電機(jī)控制算法通?；谑噶靠刂萍夹g(shù)-參見(jiàn)圖3。使用矢量控制算法，交流感應(yīng)電機(jī)和PM同步電機(jī)的控制流程類(lèi)似于單獨(dú)使用的直流電機(jī)的控制。在特殊的參考坐標(biāo)系中，定子電流可以分為由轉(zhuǎn)矩生成的電流和由磁場(chǎng)生成的電流。這些電流通過(guò)直流值表示，可以單獨(dú)進(jìn)行控制。
