方案 | 功率因数校正（PFC）与无传感器磁场定向控制（FOC）在PMSM 电机系统上的应用

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大多数电机控制系统通常将PFC作为系统的第一级。由于逆变器中开关器件的存在，若没有PFC 输入级，那么所产生的电流中将会含有显著的谐波分量。此外，由于电机负载的高度感性，输入电流将会给输入系统引入大量无功功率，从而降低整个系统的效率。PFC 级作为电机控制应用中的一个前端转换器，能够较好地调节输出电压以及降低输入电流中的谐波含量。

本应用场合选用PMSM 电机。电能质量的提高通过进行功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）来实现，而电机的高效控制可以通过使用无传感器磁场定向控制（Filed Oriented Control，FOC）技术来实现。家电业通常要求这些算法能够得以低成本的方式加以实现。这可通过将PFC 和无传感器FOC 算法集成在单片数字信号控制器（Digital Signal Controller，DSC）上来实现。

本PFC 和无传感器FOC 集成系统中，采用了带下列外设的处理器：

• 脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulator，PWM）

• 模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）

• 正交编码器接口（Quadrature Encoder Interface， QEI）

处理器上的这些外设最好具有以下特性：

• 多源触发ADC

• 输入转换速率最快为1Msp

• 同步采样多个模拟通道技术

• 故障检测与处理能力

在这类应用中，按照平均电流模式控制的标准升压转换器拓扑是实现数字化PFC的首选方法。双分流无传感器FOC 法是一种驱动PMSM 电机的转速控制方法。它克服了那些无法配置位置和速度传感器的应用中存在的限制条件。PMSM 电机的速度和位置可以通过测量相电流来估算。由于转子上的永磁体能够产生恒定的转子磁场，因此，在这些应用中使用PMSM 电机可实现较高的效率。与感应电机相比，对于同样的体积，PMSM 电机具有更高的功率。与直流电机相比，由于没有使用电刷，PMSM 电机具有较低的噪声。

图1 显示了一个PFC 和无传感器FOC 集成系统的结构图。

第一级是一个将输入线电压转化为直流电压的整流器级。该整流后的直流电压又是第二级即升压转换器级的输入。在第二级中，升压转换器将输入电压升高，并使电感电流的形状与整流后的交流电压的形状相似。这可以通过进行数字化的功率因数校正来实现。平均电流模式控制法用于在微处理器上实现PFC。在这种控制方法中，通过改变电流幅值信号的平均值来控制输出直流电压。该电流幅值信号可用数字化方法来计算。

集成系统的第三级和最后一级是一个将直流电压转化为三相电压的三相逆变器。该转化后的三相电压作为PMSM 电机的输入。这一级通过在微处理器器件上实施无传感器FOC 策略来控制。无传感器FOC 法对流入PMSM中的定子电流进行控制以满足系统对期望转速和转矩的要求。所需的位置和转速信息通过在处理器上进行数学运算来估算。

集成系统采用五个补偿器来实现PFC 和无传感器FOC算法。PFC 法使用两个补偿器来控制电压和电流控制环，而无传感器FOC 法使用三个补偿器来控制转速控制环、转矩控制环和磁链控制环。所有这些补偿器都是利用比例- 积分（Proportional-Integral，PI）控制器来实现的。

PFC 和无传感器FOC 算法的数字化实现

数字化的功率因数校正

电感电流（IAC）、输入交流整流电压（VAC）和直流输出电压（VDC）可用作实现数字化PFC 时的反馈信号。这些信号经硬件增益调理后，作为ADC 模块模拟通道的输入信号。

PFC 算法采用三个控制环：电压控制环、电流控制环和电压前馈控制环。

电压补偿器使用参考电压和实际输出电压作为输入，计算其偏差以补偿输出电压的变化。输出电压是通过改变电流幅值信号的平均值来控制的。电流幅值信号是通过计算整流输入电压、电压误差补偿器输出和电压前馈补偿器输出三者的乘积来得到的。整流输入电压应成倍增加以确保电流信号波形与输入电压波形具有相同的形状。电流信号应尽可能接近地匹配整流电压以便获得较高的功率因数。由于能够补偿输入电压的变化量，因此电压前馈补偿器对于维持给定负载下的恒定输出功率是至关重要的。电流信号一旦计算出来，就被反馈到电流补偿器中。电流补偿器的输出决定了PWM 脉冲的占空比。升压转换器可以由输出比较模块或PWM 模块来驱动。

无传感器磁场定向控制

无传感器FOC 法采用相电流Ia 和Ib 作为反馈信号。而第三相电流Ic 是通过进行数字化计算得到的。这三相电流在用Park 变换转化为转子系下两相电流之前，先用Clarke 变换转化为定子系下的两相电流。这种转换得到了两个计算电流分量：Id 和Iq。磁链是电流Id 的函数，而转子转矩是电流Iq 的函数。位置估计器用于估计转子位置和速度信息。电机模型使用电压和电流来估算位置。电机模型主要使用位置观测器来间接获得转子位置信息。PMSM 模型是基于直流电机模型。

在对转速进行数学估算之后，期望转速与所得估计转速之间的偏差反馈到转速补偿器中。转速补偿器的输出作为Iq 补偿器的参考值。对于永磁电机来说，Id 补偿器的参考值为零。用于Iq 和Id 的PI 控制器能够补偿转矩和磁链偏差，并分别生成Vd 和Vq 作为输出信号。Park 逆变换和空间矢量调制（SVM）技术适用于生成绝缘栅双极晶体管（IGBT）的占空比。电机控制PWM模块用于产生PWM 脉冲。

譬如，某系统相关控制参数、触发源、寄存器和中断设定如下：

• PFC PWM频率:80 kHz

• FOC PWM 频率:8 kHz

• PFC控制环频率:40 kHz

• FOC控制环:8 kHz

• PFC程序的执行点：ADC ISR

• FOC程序的执行点：PWM ISR

• ADC的触发源：定时器

无传感器FOC 算法采用三个控制环来对电流和速度进行补偿。PFC 算法采用两个控制环来对输入电流和输出电压进行补偿。

图3 显示了PFC 和无传感器FOC 集成系统的时序图。

图4 至图6 显示了该集成系统的状态流程图。