基于Microchip高效的變頻洗碗機(jī)的設(shè)計(jì)方案

引言

目前洗碗機(jī)業(yè)已站在普及風(fēng)口，有數(shù)據(jù)顯示，歐美發(fā)達(dá)國家的洗碗機(jī)的普及率為60%~70%，中國市場普及率不足3%。再與國內(nèi)較為普及的洗衣機(jī)相比，2017年洗衣機(jī)的產(chǎn)銷量為4000萬臺(tái)，洗碗機(jī)為100萬臺(tái)左右?？梢娤赐霗C(jī)的市場前景非常廣闊。

近年來，隨著國家節(jié)能減排，低噪環(huán)保等政策的實(shí)施，人們對產(chǎn)品性能要求的提高。定頻技術(shù)向變頻技術(shù)轉(zhuǎn)變將成為未來的發(fā)展趨勢。隨著變頻空調(diào)，變頻風(fēng)扇，變頻洗衣機(jī)等變頻家電在節(jié)能低噪性能上優(yōu)勢顯著，人們對變頻家電的接受度也逐步提高。變頻洗碗機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。

貝能國際力推Microchip高效的變頻電機(jī)解決方案——dsPIC33EP系列帶DSP引擎的16-bitMCU。變頻洗碗機(jī)應(yīng)用是其中之一。

近年來，隨著國家節(jié)能減排，低噪環(huán)保等政策的實(shí)施，人們對產(chǎn)品性能要求的提高。定頻技術(shù)向變頻技術(shù)轉(zhuǎn)變將成為未來的發(fā)展趨勢。隨著變頻空調(diào)，變頻風(fēng)扇，變頻洗衣機(jī)等變頻家電在節(jié)能低噪性能上優(yōu)勢顯著，人們對變頻家電的接受度也逐步提高。變頻洗碗機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。貝能國際力推Microchip高效的變頻電機(jī)解決方案——dsPIC33EP系列帶DSP引擎的16-bitMCU。變頻洗碗機(jī)應(yīng)用是其中之一。

1Microchip變頻洗碗機(jī)方案系統(tǒng)

如圖1所示，主控MCU用44管腳的dsPIC33EP64MC204，采用無傳感器FOC控制技術(shù)對洗滌泵PMSM電機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制和無極調(diào)速。同時(shí)對溫度、濁度、水量等傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)水量和洗滌水溫精準(zhǔn)控制，達(dá)到高效節(jié)能低噪性能。

2dsPIC33EP系列MCU功能特點(diǎn)

?工作條件：3.0V~3.6V，-40℃~+85℃，DC至70MIPS。

?內(nèi)核。16位內(nèi)核，高效代碼型（C和匯編）架構(gòu);兩個(gè)40位寬累加器;帶雙數(shù)據(jù)取操作的單周期（MAC/MPY）;單周期混合符號乘法和硬件除法;32位乘法支持。

?功耗管理。有低功耗管理模式（休眠、空閑和打盹），具有0.6mA/MHZ動(dòng)態(tài)電流（典型值）;30uAIPD電流（典型值）;高速PWM;最多具有3對使用獨(dú)立時(shí)序的PWM;上升沿和下降沿死區(qū);7.14nsPWM分頻率;PWM支持，可用于直流/直流、交流/直流、逆變器、PFC和照明，或者BLDC、PMSM、ACIM和SRM;可編程故障輸入;用于ADC轉(zhuǎn)換的靈活觸發(fā)配置。

?模擬特性。ADC模塊方面，可配置為10位1.1Msps，4個(gè)S/H（采樣/保持）;或配置為12位500ksps，1個(gè)S/H（采樣/保持）。具有靈活、獨(dú)立的ADC觸發(fā)源。最多具有3個(gè)直接連到ADC模塊的運(yùn)放/比較器。

?其他外設(shè)，有正交編碼器接口、UART、SPI、ECAN、輸入捕捉、輸出比較和定時(shí)器，并有用戶可選優(yōu)先級仲裁功能的4通道DMA。

3dsPIC33EP32MC204在變頻洗碗機(jī)電機(jī)控制應(yīng)用

3.1系統(tǒng)概述

如圖2所示，在電機(jī)軸上沒有安裝位置傳感器，而使用低自感系數(shù)的分流電阻（3相逆變器的一部分）來測量電機(jī)上的電流。3相逆變器被用作功率級來驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組。3相逆變器內(nèi)置的電流檢測和故障生成電路可防止整個(gè)系統(tǒng)受到過電流的損壞。圖3列出了如何實(shí)現(xiàn)3相拓?fù)湟约半娏鳈z測和故障生成電路。

間接矢量控制的過程如下：

1.測量3相定子電流。。這些測量可得到Ia和Ib的值?？赏ㄟ^以下公式計(jì)算出Ic：Ia+Ib+Ic=0。2.將3相電流變換至3軸系統(tǒng)。該變換將得到變量Iα和Iβ，它們是由測得的Ia和Ib以及計(jì)算出的Ic值變換而來。從定子角度來看，Iα和Iβ是相互正交的時(shí)變電流值。

3.按照控制環(huán)上一次迭代計(jì)算出的變換角，來旋轉(zhuǎn)2軸系統(tǒng)使之與轉(zhuǎn)子磁通對齊。Iα和Iβ變量經(jīng)過該變換可得到Id和Iq。Id和Iq為變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正交電流。在穩(wěn)態(tài)條件下，Id和Iq是常量。

4.誤差信號由Id、Iq的實(shí)際值和各自的參考值進(jìn)行比較而獲得。

?Id的參考值控制轉(zhuǎn)子磁通;

?Iq的參考值控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出;

?誤差信號是到PI控制器的輸入;

?控制器的輸出為Vd和Vq，即要施加到電機(jī)上的電壓矢量

5.估算出新的變換角，其中Vα、Vβ、Iα和Iβ是輸入參數(shù)。新的角度可告知FOC算法下一個(gè)電壓矢量在何處。

6.通過使用新的角度，可將PI控制器的Vd和Vq輸出值逆變到靜止參考坐標(biāo)系。該計(jì)算將產(chǎn)生下一個(gè)正交電壓值Vα和Vβ。7.Vα和Vβ值經(jīng)過逆變換得到3相值Va、Vb和Vc。該3相電壓值可用來計(jì)算新的PWM占空比值，以生成所期望的電壓矢量。圖4顯示了變換、PI迭代、逆變換以及產(chǎn)生PWM的整個(gè)過程。

3.3軟件流程圖

FOC算法以與PWM相同的速率執(zhí)行。這樣進(jìn)行配置使得PWM可使用兩個(gè)分流電阻器來同時(shí)觸發(fā)兩個(gè)繞組的A/D轉(zhuǎn)換。允許A/D中斷來執(zhí)行FOC算法。圖5顯示了A/D中斷程序的常規(guī)執(zhí)行過程。圖6給出了使用滑動(dòng)模式控制器（SMC）估算電機(jī)位置和速度的過程。

3.4主要電機(jī)控制軟件狀態(tài)機(jī)

如圖7所示。首先，變頻洗碗機(jī)系統(tǒng)上電，系統(tǒng)就將進(jìn)入初始化狀態(tài)，所有的變量都設(shè)置為其初始值，同時(shí)允許中斷，使電機(jī)繞組斷電。系統(tǒng)等待用戶按下啟動(dòng)/停止按鈕。然后執(zhí)行起動(dòng)程序，由此程序控制轉(zhuǎn)矩電流分量（Iq）和磁通電流分量（Id），并以加速形式產(chǎn)生換相角度（theta），從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。執(zhí)行完啟動(dòng)程序之后，系統(tǒng)將切換到無傳感器FOC控制，其中速度控制器被添加到執(zhí)行線程中，隨后滑動(dòng)模式控制器（SMC）開始估算theta值，方法如圖7所述。電機(jī)進(jìn)入無傳感器FOC控制狀態(tài)后，根據(jù)用戶或系統(tǒng)要求提供參考速度實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)時(shí)監(jiān)控停止按鍵和系統(tǒng)的任何故障，讓電機(jī)能及時(shí)關(guān)閉，保護(hù)系統(tǒng)安全。狀態(tài)圖顯示了軟件的所有不同狀態(tài)，以及使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到不同狀態(tài)的條件

3.5數(shù)據(jù)監(jiān)視和控制界面

Microchip的MPLABIDE編譯環(huán)境可提供一個(gè)調(diào)試工具——數(shù)據(jù)監(jiān)視和控制界面（DMCI），可通過這一個(gè)界面對IDE項(xiàng)目中的范圍值、開/關(guān)狀態(tài)或離散值進(jìn)行變量控制以對應(yīng)用的運(yùn)行加以限制。如果需要，應(yīng)用反饋可以圖形方式來表示，可直觀觀察電機(jī)控制的各種參數(shù)變量的變化，有效加快用戶開發(fā)調(diào)試進(jìn)程。該界面提供了可識別項(xiàng)目的程序符號（變量）導(dǎo)航，這些符號可被動(dòng)態(tài)地分配給滑塊控制、直接輸入控制或布爾量控制的任意組合。隨后這些控制可交互地用來更改MPLABIDE中的程序變量值。這些圖也可動(dòng)態(tài)地進(jìn)行配置以查看程序所生成的數(shù)據(jù)。

5結(jié)論

基于MicrochipdsPIC33EP在變頻洗碗機(jī)電機(jī)FOC控制的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

1.使用這種通用設(shè)計(jì)平臺(tái)可獲得較高的實(shí)用性（Microchip的FOC核心算法全部開源），從而更有效地生產(chǎn)電器產(chǎn)品。這意味著電器制造商現(xiàn)在可運(yùn)用更經(jīng)濟(jì)的方法，通過無傳感器FOC算法控制，生產(chǎn)出一系列使用PMSM或其他類型的電機(jī)的電器型號。

2.使用這些基于軟件的電機(jī)控制設(shè)計(jì)，只需更改控制參數(shù)即可快速進(jìn)行定制以滿足不同市場的需求。適合電器產(chǎn)品平臺(tái)化開發(fā)。

3.由于編程dsPIC33EP與編程MCU的方法相似，因此電器設(shè)計(jì)者可以快速設(shè)計(jì)出自己的電機(jī)控制算法并測試產(chǎn)品的原型。由于使用了功能強(qiáng)大的基于MPLABIDE的工具（例如DMCI），允許設(shè)計(jì)者方便地將其算法移植到各種電機(jī)平臺(tái)上，其中包括PMSM、BLDC、BDC和ACIM，因而精細(xì)調(diào)諧電機(jī)控制變得非常便捷。