富士通180度直流变频控制方案

【转载】富士通180度直流变频控制方案 发布时间：2011-08-24 15:31:13

技术类别：模拟技术

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编者按：随着节能成为全球范围关注的焦点，电机设计的能效也日益成为一个引人关注的问题。电机驱动产品不断配合行业发展的趋势，帮助设计人员提升能效、降低能耗、提高可靠性、减少元件数量等等，同时更智能、更安全、更绿色环保也成为今日电机发展的主题。

节能趋势对电机驱动的新要求包括几个方面，其一，能效是由所选择的电机技术及电机结构决定的，因Class.asp?ClassId=12950">驱动器的功耗降至最低并提高能效的驱动电路。其三，要通过提升电机驱动智能来实现优化的能耗方案。

前两天，本博客中介绍了TI 通过嵌入式智能技术提升电机效率的解决方案。今介绍富士通半导体的电机180度变频核心控制算法采用空间磁场定向控制，可把电流分解为转矩和磁场分别进行独立控制的方法。以下为此文内容。

在家电应用方面，180度电机控制可以说是一种最先进的控制方案。许多家电厂商都在设计开发和生产这类变频产品，在节能、静音及低颤动方面得到了体现。

能源效率需求使然

目前市场上对于家用电器，如空调、冰箱、洗衣机等一般要求具有低噪声、低损耗、省电节能的特征，因此，类似的这些场合对于电机的要求也趋于需要更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能的无刷直流电机进行调速。

无刷直流电机分为方波控制（120°控制）的无刷直流电机（BLDC）和正弦波控制（180度控制）的永磁同步电机（PMSM）。在小功率电机范围内，180度电机控制具有噪声低、效率高的优点。目前市场上最先进的180度控制技术是基于磁场定向矢量的变频技术，FOC（磁场定向）矢量控制算法产生矢量形式相电压，用来控制定子电流，其控制原理是通过一定的坐标转换可以对磁通和转矩直接控制，实现电流和转速的双闭环控制，可以在不产生大流的情况下实现快速的动态响应。

不难看出，180度电机控制的前景比较好，尽管变频电机控制成本比较高，但是它的高性能、静音、低损耗，为它的有利推广提供保驾护航的条件，越来越多的家电制造商，开始关注和投资180度电机控制，用以提高家电电器效率和降低噪音。

富士通变频方案历史悠久

记得还在学校时，就听说富士通半导体有变频方案，现在才有了更深的了解。早在1998以前，富士通半导体就开始涉足变频电机控制技术。那时是空间矢量PWM技术，用于三相异步电动机，产品有AC逆变器用微控制器MB89855、MB90560/460。

1998以后，采用120度传导霍尔传感器和120度传导传感器的直流无刷电机开始用于室外机散热风扇，以及直流变频电机，典型微控制器有MB90460和MB90560，这些产品在今天仍在广泛使用。

进入21世纪，无刷直流电机/永磁同步电机电机开始普及，富士通半导体开发了用于采用180度传导霍尔传感器应用的MB91260、MB91470微控制器，以及180度传导分流传感器应用的低成本、低噪声高性能直流变频用微控制器MB91260、MB91470和MB91490。

2010年后，富士通半导体又推出了180度传导分流传感器高性能直流逆变器用基于ARM Cortex-M3的FM3系列微控制器MB9BF104，标志着其变频方案进入了一个新的阶段。

富士通半导体的变频驱动控制采用自主知识产权的算法，实现了高、低频稳定控制、PFC控制、弱磁控制和转矩补偿等功能。近年来，针对马达控制市场，富士通半导体还开发了最新的支持多路直流马达控制、直流无刷马达控制或120度变频控制的8位微控制器MB95330系列。利用评估板和马达控制软件驱动文件，简化了客户对马达控制的开发。

独特算法优势更多

富士通半导体的电机180度变频核心控制算法采用空间磁场定向控制方案，可把电流分解为转矩和磁场分别进行独立控制；空间矢量PWM（SVPWM）模式通过PWM开关信号产生360度正弦波电压；比例积分（PI）调节器通常在工程控制中使用，它可以通过误差反馈来调整修正值，实现电流和转速无差控制；坐标轴变换可以使三相电机信号转换两相垂直信号，静止坐标信号转换成旋转信号；位置及速度测算可以输入电机实时电流和电压，实时计算电机反电压，并可实时计算转子位置和转速；其他先进功能还包括：锁相环纠正位置信号、低频转矩补偿、高频弱磁控制和交流输入功率因数纠正。

下图是一个采用单芯片的180度双电机控制方案，其微控制器可以连接湿度传感器、温度传感器或其他传感器，实现相应的检测功能。两个PWM输出电机驱动控制信号发生器分别控制压缩机驱动和室外风扇驱动，形成了一个完整的控制方案。

富士通直流变频方案的核心是32位高速高性能微控制器，这些器件适合于变频电机控制特性。它采用8/16位可编程脉冲发生器（PPG）定时器及多功能定时器实现输入捕捉、输出比较、A/D启动比较、死区时间设置，还具有硬件波形发生器和硬件强制关断PWM输入等功能。微控制器的8/10/12位A/D转换器中有2个单元（4通道X1单元；8通道X1单元），转换时间仅1.0微秒 -1.2微秒。内置的硬件uDSP方便处理复杂运算，MAC（乘法累加）只需1个机械周期。

这些先进算法和模式为180度直流变频带来了许多优点，可以使电机运行更安静，震动更平稳，效率更高，电磁干扰更小。它采用的2相电流检测方法，使反馈更加安全可靠，支持三相永磁同步马达和直流无刷马达压缩机驱动。

总之，有了这个方案，工程师就可以通过准确估算电机位置，使直流变频电机可以快速稳定启动，实现完美的正弦波电流波形，在5kHz载波频率条件下实现1Hz至400Hz的电机驱动频率。其最终结果是让家电更加节能，惠及更多点消费者。