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(jié)能型家用電器，使得年均耗電量有望呈指數(shù)增長。為了提高向住宅、辦公樓和工廠輸送電力的電網(wǎng)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(fā)的設備中采用功率因數(shù)校正（PFC）技術來實現(xiàn)現(xiàn)代化電機驅(qū)動。因此，由于近年來電網(wǎng)傳輸線路中出現(xiàn)了高度非線性負載，PFC成為了電機控制驅(qū)動中的重要特性。
實現(xiàn)高能效電機設計的途徑有多種。英飛凌公司推出了經(jīng)濟劃算的高功率因素開發(fā)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(jié)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(qū)動和PFC控制開發(fā)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。由于其電抗性而只是被吸收到負載中并送還的功率，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(jù)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。功率因素小于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(yōu)化利用所供應的電力。像風扇和泵等家用電器的電機類似于感性負載。其電流的相位滯后于電壓，根據(jù)相位角的余弦值，PF小于1.這將影響家用電器設備的可靠性、性能和經(jīng)久耐用性。譬如，未實現(xiàn)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(shù)。
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(xiàn)。由于PFC MOSFET要求12V開關電壓，因此在MCU與MOSFET 之間加裝了4只充當電平移動二極管的晶體管。借助簡單的外接硬件電路，可以用更新、更高效的電機驅(qū)動應用來替換低效率的電機驅(qū)動應用。在這個平臺中，英飛凌引入了直接、簡單的軟件臨界導通模式（CRM）PFC控制，相比于分立式PFC芯片解決方案，前者要求單片機提供更多資源。
圖2:整流后的VDC（a）；軟件PFC控制VDC（b）。
圖3所示為英飛凌提供的關鍵硬件器件。專用PFC硬件被設計為整個平臺的一個組成部分。PFC硬件同AC-DC功率級和開關電源CoolSET控制器一并構成電源，以驅(qū)動三相門驅(qū)動器、MOSFET、XC836 MCU等器件。本文所述開發(fā)平臺將XC836單片機用作微處理器。這個開發(fā)平臺也可采用XC800家族的其他成員，并可支持脈寬調(diào)制器（PWM）、快速模數(shù)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(qū)動開發(fā)平臺，實現(xiàn)了基于軟件的PFC控制。
這個開發(fā)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(fā)平臺也專門設計為可用于評估英飛凌單片機的實時功能的性能。
FOC是用于操作電機的技術，可以在任何速度實現(xiàn)平穩(wěn)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(tài)。諸如風扇、空氣泵等等成本敏感型設備通常要求實現(xiàn)無傳感器控制。然而，利用流經(jīng)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(fā)平臺就實現(xiàn)了雙并聯(lián)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松控制其頻率和幅度，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，易于控制。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(huán)路：Vdc控制環(huán)路、Iac檢測控制環(huán)路和Vac輸入檢測環(huán)路。通過改變電流幅度信號的平均值來控制Vdc.Iac決定了PWM負載周期脈沖。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應當盡可能匹配，以實現(xiàn)高PF.
圖4:無傳感器FOC和PFC的簡化框圖。
由于整個平臺都由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于該應用。開發(fā)平臺所用的外設旨在執(zhí)行：計算矢量旋轉和變換，如派克變換；提供16位分辨率，以生成高精度空間矢量PWM信號；控制空載時間，最大限度地減輕硬件工作量；同時對多個模擬通道進行取樣以執(zhí)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(shù)轉換器。
此外，該平臺經(jīng)專門設計，可利用PFC控制來驅(qū)動PMSM吊扇電機，并滿足下例性能要求：典型交流電源輸入范圍（150~230VAC）；PFC最低為0.91@230VAC;功耗不足常規(guī)吊扇的1/2;系統(tǒng)總功耗不到31W@360rpm;直接替代市場上的常規(guī)吊扇；吊扇轉速各異。
簡而言之，這個開發(fā)平臺旨在縮短具備高PF的高能效電機控制產(chǎn)品的上市時間，降低噪聲，提高系統(tǒng)可靠性。目標應用為家用電器，如吊扇和各種類型的工業(yè)電機控制應用。
下載文檔
