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AN1208 功率因数校正 （PFC）与无传感器磁场定向控制 （FOC） 的集成系统 作者： Vinaya Skanda Microchip Technology Inc. 引言 近年来，设计适用于各种应用场合的节能型电机驱动器 已成为电机控制行业的研究焦点。消费者对电能质量要 求的逐步提高也推动了这一趋势。电能质量的提高可以 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。 本应用笔记介绍如何将这两种复杂的应用，即 PFC 和无 传感器 FOC，进行集成的方法。这些应用算法是在永磁 同 步 电 机 （Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）上加以实现的。此外，该应用笔记还介绍了这 些算法的集成方法，列出了必要的硬件要求以及提供了 如何优化开发过程的指导建议。该集成方案基于以下这 些应用笔记： ? AN1106，《使用 dsPIC? DSC 实现能量转换应用 中的功率因数校正》（DS01106A_CN） ? AN1078，《PMSM 电机的无传感器磁场定向控 制》（DS01078A_CN） 应用笔记 AN1106 中介绍了功率因数校正 （PFC）方 法，而应用笔记 AN1078 中介绍了无传感器磁场定向控 制 （FOC）方法。这两篇应用笔记均给出了详细的数字 化设计和实现方法。本应用笔记是上述应用笔记的补 遗。 本集成应用是在以下两种 dsPIC? DSC 器件上实现的： ? dsPIC30F ? dsPIC33F 低成本、高性能的 DSC，与模数转换器 （ADC）和脉 冲宽度调制器 （PWM）等各类电力电子外设的结合使 用，使得这样一个复杂应用的数字化设计和实现变得更 加简单方便。 数字化的 PFC 与电机控制 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。在这些应用中， 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。因此， 本应用场合选用 PMSM 电机。 使用数字信号处理器的原因 dsPIC? DSC 器件适用于那些可以在不同频率下运行多 种算法以及使用多种外部设备来驱动各种电路的复杂应 用场合。这些应用场合 （如洗衣机，电冰箱和空调）使 用各种电机控制外设来精确控制电机在不同工作负载下 的转速。本 PFC 和无传感器 FOC 集成系统采用下列外 设： ? 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） ? 2008 Microchip Technology Inc. DS01208A_CN 第 1 页 AN1208 这些外设具有以下主要特性： ? 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 ? 丰富的单周期 DSP 指令系统 （如 MAC） 系统概述 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 dsPIC? DSC