基於8位MCU實現電機和PFC控制

印度政府鼓勵市民使用高能效的家用電器，以最大限度地降低本國的人均耗電量。眾多非節能型家用電器，使得年均耗電量有望呈指數增長。為了提高向住宅、辦公樓和工廠輸送電力的電網的功率效率，降低其功率損耗，許多設計機構都開始考慮在其最新研發的設備中採用功率因數校正（PFC）技術來實現現代化電機驅動。因此，由於近年來電網傳輸線路中出現了高度非線性負載，PFC成為了電機控制驅動中的重要特性。

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　　實現高能效電機設計的途徑有多種。英飛凌公司推出了經濟划算的高功率因素開發平臺。通過將無傳感器FOC和PFC控制集成到一個8位單片機XC836上，可以降低設備的總功耗，節約高昂的電費。本技術論文描述了全新高壓無刷直流風扇電機驅動和PFC控制開發平臺的詳盡設計實例和實施技術。

　　圖1所示為有功功率負載的功率耗散。由於其電抗性而只是被吸收到負載中並送還的功率，被稱為無功功率.視在功率是交流電源的度量標準，是RMS電流與RMS電壓的乘積。根據上面的等式，功率因素是有功功率與視在功率之比，因此，功率因素越小，則意味著電力的利用率越低。功率因素小於1,且尖峰負載造成諧波電流的設備的耗電量更高。也就是說，這種設備未能優化利用所供應的電力。像風扇和泵等家用電器的電機類似於感性負載。其電流的相位滯後於電壓，根據相位角的餘弦值，PF小於1.這將影響家用電器設備的可靠性、性能和經久耐用性。譬如，未實現PFC控制的典型PMSM風扇電機的PF約為0.45.

圖1:功率三角函數。

　　圖2所示為在整流橋與大電流電容器之前加裝開關器件的PFC控制實現。由於PFC MOSFET要求12V開關電壓，因此在MCU與MOSFET 之間加裝了4隻充當電平移動二極體的電晶體。藉助簡單的外接硬體電路，可以用更新、更高效的電機驅動應用來替換低效率的電機驅動應用。在這個平臺中，英飛凌引入了直接、簡單的軟體臨界導通模式（CRM）PFC控制，相比於分立式PFC晶片解決方案，前者要求單片機提供更多資源。

圖2:整流後的VDC（a）；軟體PFC控制VDC（b）。

　　圖3所示為英飛凌提供的關鍵硬體器件。專用PFC硬體被設計為整個平臺的一個組成部分。PFC硬體同AC-DC功率級和開關電源CoolSET控制器一併構成電源，以驅動三相門驅動器、MOSFET、XC836 MCU等器件。本文所述開發平臺將XC836單片機用作微處理器。這個開發平臺也可採用XC800家族的其他成員，並可支持脈寬調製器（PWM）、快速模數轉換器（ADC）和高性能16位矢量計算機（CORDIC+MDU）。

圖3:三相FOC電機驅動開發平臺，實現了基於軟體的PFC控制。

　　這個開發平臺還為客戶提供了一種利用FOC技術來評估永磁同步電動機（PMSM）控制應用的備選方法。此外，該開發平臺也專門設計為可用於評估英飛凌單片機的實時功能的性能。

　　FOC是用於操作電機的技術，可以在任何速度實現平穩的高能效運行。利用FOC技術，可以大幅提高電機的能效，從而降低功耗，減輕噪聲，提供卓越的扭矩動態。諸如風扇、空氣泵等等成本敏感型設備通常要求實現無傳感器控制。然而，利用流經電機線圈的電流提供的信息，可以估算出電機的電位。英飛凌目前推出的這個開發平臺就實現了雙並聯電阻檢測方法。

　　圖4所示為無傳感器FOC和PFC控制算法的簡化框圖。FOC方法生成的三相正弦信號允許輕鬆控制其頻率和幅度，從而最大限度地降低電流，提高能效。其基本思路的核心是將三相信號變換為兩路轉子信號，反之亦然。在轉子參考系中，電流是靜止的，易於控制。反向矢量旋轉致使控制電壓旋轉起來。從正交定子兩相坐標系（α-β坐標系）中，得出通量估算器的輸入信號。輸出信號代表了轉子角度。與此同時，PFC的控制結構被劃分為3個環路：Vdc控制環路、Iac檢測控制環路和Vac輸入檢測環路。通過改變電流幅度信號的平均值來控制Vdc.Iac決定了PWM負載周期脈衝。倍增Vac,以使得Iac具備與輸入電壓波形相同的波形。電流信號與Vac應當儘可能匹配，以實現高PF.

圖4:無傳感器FOC和PFC的簡化框圖。

　　由於整個平臺都由XC836控制，因此重要的是理解低成本單片機的特性和外設適用於該應用。開發平臺所用的外設旨在執行：計算矢量旋轉和變換，如派克變換；提供16位解析度，以生成高精度空間矢量PWM信號；控制空載時間，最大限度地減輕硬體工作量；同時對多個模擬通道進行取樣以執行故障防護的方法；功能強大的電機控制外設集--CAPCOM6和10位模數轉換器。

　　此外，該平臺經專門設計，可利用PFC控制來驅動PMSM吊扇電機，並滿足下例性能要求：典型交流電源輸入範圍（150~230VAC）；PFC最低為0.91@230VAC;功耗不足常規吊扇的1/2;系統總功耗不到31W@360rpm;直接替代市場上的常規吊扇；吊扇轉速各異。

　　簡而言之，這個開發平臺旨在縮短具備高PF的高能效電機控制產品的上市時間，降低噪聲，提高系統可靠性。目標應用為家用電器，如吊扇和各種類型的工業電機控制應用。