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隨著節(jié)能成為全球范圍關(guān)注的焦點，電機設(shè)計的能效也日益成為一個引人關(guān)注的問題。電機驅(qū)動產(chǎn)品不斷配合行業(yè)發(fā)展的趨勢，幫助設(shè)計人員提升能效、降低能耗、提高可靠性、減少元件數(shù)量等等，同時更智能、更安全、更綠色環(huán)保也成為今日電機發(fā)展的主題。
節(jié)能趨勢對電機驅(qū)動的新要求包括幾個方面，其一，能效是由所選擇的電機技術(shù)及電機結(jié)構(gòu)決定的，因Class.asp?ClassId=12950">驅(qū)動器的功耗降至最低并提高能效的驅(qū)動電路。其三，要通過提升電機驅(qū)動智能來實現(xiàn)優(yōu)化的能耗方案。
前兩天，本博客中介紹了TI 通過嵌入式智能技術(shù)提升電機效率的解決方案。今介紹富士通半導(dǎo)體的電機180度變頻核心控制算法采用空間磁場定向控制，可把電流分解為轉(zhuǎn)矩和磁場分別進(jìn)行獨立控制的方法。以下為此文內(nèi)容。
在家電應(yīng)用方面，180度電機控制可以說是一種最先進(jìn)的控制方案。許多家電廠商都在設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)這類變頻產(chǎn)品，在節(jié)能、靜音及低顫動方面得到了體現(xiàn)。
能源效率需求使然
目前市場上對于家用電器，如空調(diào)、冰箱、洗衣機等一般要求具有低噪聲、低損耗、省電節(jié)能的特征，因此，類似的這些場合對于電機的要求也趨于需要更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能的無刷直流電機進(jìn)行調(diào)速。
無刷直流電機分為方波控制（120°控制）的無刷直流電機（BLDC）和正弦波控制（180度控制）的永磁同步電機（PMSM）。在小功率電機范圍內(nèi)，180度電機控制具有噪聲低、效率高的優(yōu)點。目前市場上最先進(jìn)的180度控制技術(shù)是基于磁場定向矢量的變頻技術(shù)，F(xiàn)OC（磁場定向）矢量控制算法產(chǎn)生矢量形式相電壓，用來控制定子電流，其控制原理是通過一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以對磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制，實現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制，可以在不產(chǎn)生大流的情況下實現(xiàn)快速的動態(tài)響應(yīng)。
不難看出，180度電機控制的前景比較好，盡管變頻電機控制成本比較高，但是它的高性能、靜音、低損耗，為它的有利推廣提供保駕護(hù)航的條件，越來越多的家電制造商，開始關(guān)注和投資180度電機控制，用以提高家電電器效率和降低噪音。
富士通變頻方案歷史悠久
記得還在學(xué)校時，就聽說富士通半導(dǎo)體有變頻方案，現(xiàn)在才有了更深的了解。早在1998以前，富士通半導(dǎo)體就開始涉足變頻電機控制技術(shù)。那時是空間矢量PWM技術(shù)，用于三相異步電動機，產(chǎn)品有AC逆變器用微控制器MB89855、MB90560/460。
1998以后，采用120度傳導(dǎo)霍爾傳感器和120度傳導(dǎo)傳感器的直流無刷電機開始用于室外機散熱風(fēng)扇，以及直流變頻電機，典型微控制器有MB90460和MB90560，這些產(chǎn)品在今天仍在廣泛使用。
進(jìn)入21世紀(jì)，無刷直流電機/永磁同步電機電機開始普及，富士通半導(dǎo)體開發(fā)了用于采用180度傳導(dǎo)霍爾傳感器應(yīng)用的MB91260、MB91470微控制器，以及180度傳導(dǎo)分流傳感器應(yīng)用的低成本、低噪聲高性能直流變頻用微控制器MB91260、MB91470和MB91490。
2010年后，富士通半導(dǎo)體又推出了180度傳導(dǎo)分流傳感器高性能直流逆變器用基于ARM Cortex-M3的FM3系列微控制器MB9BF104，標(biāo)志著其變頻方案進(jìn)入了一個新的階段。
富士通半導(dǎo)體的變頻驅(qū)動控制采用自主知識產(chǎn)權(quán)的算法，實現(xiàn)了高、低頻穩(wěn)定控制、PFC控制、弱磁控制和轉(zhuǎn)矩補償?shù)裙δ�。近年來，針對馬達(dá)控制市場，富士通半導(dǎo)體還開發(fā)了最新的支持多路直流馬達(dá)控制、直流無刷馬達(dá)控制或120度變頻控制的8位微控制器MB95330系列。利用評估板和馬達(dá)控制軟件驅(qū)動文件，簡化了客戶對馬達(dá)控制的開發(fā)。
獨特算法優(yōu)勢更多
富士通半導(dǎo)體的電機180度變頻核心控制算法采用空間磁場定向控制方案，可把電流分解為轉(zhuǎn)矩和磁場分別進(jìn)行獨立控制；空間矢量PWM（SVPWM）模式通過PWM開關(guān)信號產(chǎn)生360度正弦波電壓；比例積分（PI）調(diào)節(jié)器通常在工程控制中使用，它可以通過誤差反饋來調(diào)整修正值，實現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速無差控制；坐標(biāo)軸變換可以使三相電機信號轉(zhuǎn)換兩相垂直信號，靜止坐標(biāo)信號轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)信號；位置及速度測算可以輸入電機實時電流和電壓，實時計算電機反電壓，并可實時計算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速；其他先進(jìn)功能還包括：鎖相環(huán)糾正位置信號、低頻轉(zhuǎn)矩補償、高頻弱磁控制和交流輸入功率因數(shù)糾正。
下圖是一個采用單芯片的180度雙電機控制方案，其微控制器可以連接濕度傳感器、溫度傳感器或其他傳感器，實現(xiàn)相應(yīng)的檢測功能。兩個PWM輸出電機驅(qū)動控制信號發(fā)生器分別控制壓縮機驅(qū)動和室外風(fēng)扇驅(qū)動，形成了一個完整的控制方案。
富士通直流變頻方案的核心是32位高速高性能微控制器，這些器件適合于變頻電機控制特性。它采用8/16位可編程脈沖發(fā)生器（PPG）定時器及多功能定時器實現(xiàn)輸入捕捉、輸出比較、A/D啟動比較、死區(qū)時間設(shè)置，還具有硬件波形發(fā)生器和硬件強制關(guān)斷PWM輸入等功能。微控制器的8/10/12位A/D轉(zhuǎn)換器中有2個單元（4通道X1單元；8通道X1單元），轉(zhuǎn)換時間僅1.0微秒 -1.2微秒。內(nèi)置的硬件uDSP方便處理復(fù)雜運算，MAC（乘法累加）只需1個機械周期。
這些先進(jìn)算法和模式為180度直流變頻帶來了許多優(yōu)點，可以使電機運行更安靜，震動更平穩(wěn)，效率更高，電磁干擾更小。它采用的2相電流檢測方法，使反饋更加安全可靠，支持三相永磁同步馬達(dá)和直流無刷馬達(dá)壓縮機驅(qū)動。
總之，有了這個方案，工程師就可以通過準(zhǔn)確估算電機位置，使直流變頻電機可以快速穩(wěn)定啟動，實現(xiàn)完美的正弦波電流波形，在5kHz載波頻率條件下實現(xiàn)1Hz至400Hz的電機驅(qū)動頻率。其最終結(jié)果是讓家電更加節(jié)能，惠及更多點消費者。
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