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数字信号处理

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基于数字信号控制器的智能家电解决方案

导读: 控制器的主要工作是产生多种高频、高分辨率的脉宽调制(PWM)信号,另外,它还必须具备充分的运算能力来执行先进算法,以便将转矩纹波减至最小、进行线上参数调整并提供精确的转速控制。

  利用单个DSP控制器集成

  多种系统功能

 

  先进的新型DSP控制器能让系统设计人员选择效率更高的电动马达,例如无刷直流马达(BLDC)或永磁同步马达(PMSM)等驱动装置。这些马达提供多项胜过有刷马达和交流感应马达的优势。无刷直流马达的转子结构较轻,所以效率更高、操作更安静、加速也更快。一款专为省电和省水洗衣机设计的无刷直流马达控制电路如图1所示。这个控制电路以一颗DSP控制器为核心,不仅能控制主要驱动马达的操作,还有充裕的效能管理,可辅助水泵和螺线管等组件,以便提供水量和洗衣精剂量控制等其它功能。该控制器还能执行有源功率因数校 正,让家电产品从交流输入电源汲取更多电力。

  控制器的主要工作是产生多种高频、高分辨率的脉宽调制(PWM)信号,另外,它还必须具备充分的运算能力来执行先进算法,以便将转矩纹波减至最小、进行线上参数调整并提供精确的转速控制。除此之外,还必须缩小设计体积并减少组件数量,使它更容易生产制造。

 

  

 

  DSP控制器内置多种功能以便执行前述所有工作,包括1个40MIPS的16位定点DSP内核、16个以上的PWM通道、4个通用定时器、1个含有16个多路复用输入通道的10位模数转换器、编码器接口、串行通信接口、SPI连接端口以及1个看门狗定时器。该器件的PWM输出数目足以控制1个三相电压源逆变器,而前端升压转换器则能实现有源功率因数校正电路。剩下的PWM通道可用于其它功能,例如热水器伺服系统和辅助马达驱动装置。片上模数转换器则可用来测量各种系统输入,如马达相位电流和功率因数校正电路的直流总线电压等。由于该器件提供多达16个通道,其它输入可用来测量水温和水位等操作条件。

 

  马达驱动算法和其它软件模块

 

  马达驱动装置共有三大软件模块:变速操作所需的闭环空间向量脉宽调制(SVPWM)模块、前端输入功率因数校正,以及一个主要做为控制器与用户控制面板之间界面的通信模块。本文着重介绍了SVPWM模块。空间向量PWM技术具有多项优点,从而胜过正弦波PWM等较简单、效率较差的方法。在特定的直流链路电压输出下,SVPWM的三相马达功率输出比正弦波PWM馈电马达的高出16%。图2是SVPWM算法的结构图。

 

  

 

  首先是产生参考电压向量。控制器会在直接正交(d-q)平面上以特定的速度和振幅旋转参考电压向量,参考频率ωsp由用户提供,角频率ωe则由频率产生算法控制。角度积分器的8个高位作为指针,指向一个256字符的正弦波值查询表。只要将一个固定值(步阶幅度)加到此寄存器,指针就会以固定速率在表格上循环移动,并在移到表格尾端时折回表格的最前端继续移动。它还需要sine(α)的值,以便将参考电压向量分解成参考电压向量所在扇形区(sector)的基本空间向量。由于6个扇形区都采用同样的分解程序,系统只需一份60°的正弦波值查询表。在特定的步长幅度下,参考电压V*的角频率(周期/秒)等于:

 

  

  其中fs是采样频率,Step等于角度的步长增量,m则是积分寄存器的位数。

 

  设定PWM频率fS=20kHz,step=1,m=16,频率分辨率就变成0.061Hz,这表示设计人员对逆变器输出频率的控制精确度能达到0.1Hz。查询表的大小也会影响合成正弦波的谐波失真度。假设表格有256个字段,角度变动范围为60°,那么角度查询的分辨率就等于60°/256=0.230°。

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