工業(yè)風(fēng)扇要求高效率、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、低噪音。磁場定向控制 (FOC) 等先進(jìn)算法可以有效地實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，盡管需要付出巨大的計(jì)算和經(jīng)濟(jì)成本。然而，具有集成 FOC 的專用電機(jī)控制微控制器（MCU）可減輕成本和計(jì)算問題，并且某些設(shè)計(jì)還可以解決其他問題，例如位置檢測和平滑雙向啟動(dòng)。

　　在本文中，我們將研究如何利用先進(jìn)的微控制器(MCU)功能提高工業(yè)風(fēng)扇性能，然后討論工程師在實(shí)施工業(yè)風(fēng)扇電機(jī)控制時(shí)面臨的問題。

　　工業(yè)風(fēng)扇控制器

　　風(fēng)扇控制器調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)的速度，控制產(chǎn)生的空氣運(yùn)動(dòng)。然而，調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度不僅僅影響空氣流動(dòng)：它還可以控制噪音水平和能耗。

　　請(qǐng)注意，比較器、運(yùn)算放大器和 ADC 均集成在該系統(tǒng)中，為整個(gè)控制系統(tǒng)提供一體化解決方案。這種高度集成有助于提高系統(tǒng)性能并簡化工程師的實(shí)施任務(wù)。

　　電機(jī)控制器的一個(gè)重要方面是所使用的控制算法。算法的類型可以基于電機(jī)的類型(例如，梯形或正弦)、是否使用位置傳感器以及速度和電流控制要求是什么。

　　磁場定向控制

　　隨著微控制器容量的增加，電機(jī)控制行業(yè)開始關(guān)注更復(fù)雜的高端控制算法，例如 FOC。圖 2 所示的電機(jī)控制系統(tǒng)使用 FOC，也稱為矢量控制。矢量控制適用于三相交流電動(dòng)機(jī)，包括兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和無刷直流 (BLDC) 電動(dòng)機(jī)(圖 2 中使用的類型)。

　　FOC 的目標(biāo)是在給定速度下實(shí)現(xiàn)最大扭矩，它通過確保轉(zhuǎn)子磁場滯后于定子 90 度來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，控制系統(tǒng)必須：

　　測量電機(jī)電流。

　　測量轉(zhuǎn)子位置(使用速度和位置傳感器或間接推斷)

　　將電機(jī)電流變換到隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中。

　　計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通角

　　控制定子繞組中的電流以實(shí)現(xiàn) 90 度轉(zhuǎn)子滯后

　　FOC 支持在整個(gè)速度范圍內(nèi)平滑加速和減速，并在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生全扭矩。事實(shí)證明，當(dāng)高性能運(yùn)動(dòng)應(yīng)用(包括工業(yè)風(fēng)扇)需要高精度控制時(shí)，它是理想的選擇。

　　工業(yè)風(fēng)扇性能的關(guān)鍵問題

　　多年來，BLDC 電機(jī)控制器取得了很大進(jìn)展，特別是隨著處理能力的提高和專用 MCU 的使用。然而，工程師在處理工業(yè)風(fēng)扇電機(jī)控制時(shí)仍然面臨挑戰(zhàn)，包括電力的有效利用、噪音控制和平穩(wěn)的性能。FOC 可以緩解這些特定問題，但其典型實(shí)施仍然存在問題，需要額外的組件，例如外部傳感器，這會(huì)增加成本并導(dǎo)致更長的物料清單 (BoM)。

　　工業(yè)風(fēng)扇性能的另一個(gè)問題是初始位置檢測，這對(duì)于工業(yè)風(fēng)扇至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響初始啟動(dòng)和運(yùn)行性能，并且可能出現(xiàn)意外反轉(zhuǎn)。標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的傳統(tǒng)啟動(dòng)順序包括三個(gè)不同的階段：定位、加速和閉環(huán)。在定位階段，可能會(huì)出現(xiàn)意外逆轉(zhuǎn)的可能性。

　　此外，高速雙向啟動(dòng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)：當(dāng)存在大風(fēng)時(shí)，風(fēng)扇可能在啟動(dòng)之前就已經(jīng)在運(yùn)轉(zhuǎn)。在啟動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)行之前，必須確定電機(jī)是否已在運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，當(dāng)電機(jī)因逆風(fēng)而處于反轉(zhuǎn)邊緣時(shí)，應(yīng)逐漸減速。盡管存在解決方案，但它們需要提供工程師尋求的性能。

　　利用 MCU 特殊功能提高風(fēng)扇性能

　　正如我們到目前為止所討論的，提高工業(yè)風(fēng)扇性能可能是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。FOC 和其他功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說可能很棘手。幸運(yùn)的是，當(dāng)今先進(jìn)的 CPU 現(xiàn)在提供了滿足這些需求的復(fù)雜技術(shù)。Geehy 的 APM32F035 MCU就是一個(gè)例子。

　　該芯片是一款 32 位 FOC 電機(jī)控制專用 MCU，基于運(yùn)行頻率為 72 MHz 的 Arm Cortex-M0+ 內(nèi)核。M0CP 協(xié)處理器包含移位單元、32 位/32 位除法器、乘加運(yùn)算、平方根、三角函數(shù)和 SVPWM，進(jìn)一步增強(qiáng)了性能。

　　該 MCU 還集成了電機(jī)專用 PWM，用于與 M0CP 關(guān)聯(lián)的互補(bǔ)模式和制動(dòng)模式。圖 4 顯示了高壓電機(jī)控制評(píng)估板，但也提供低壓評(píng)估板。

　　集成FOC

　　APM32F035 MCU 包括一個(gè)帶有專用數(shù)學(xué)加速器的集成矢量計(jì)算機(jī)，可全面支持計(jì)算密集型 FOC 控制算法。這種集成消除了對(duì)外部傳感器的需求，提高了效率，并提供有效的開環(huán)啟動(dòng)。它還降低了總體設(shè)計(jì)成本，包括減少了 BoM。

　　初始位置檢測

　　傳統(tǒng)的啟動(dòng)方法很難有效地解決初始位置檢測 (IPD)，但 APM32F035 憑借其創(chuàng)新的初始位置檢測功能，有助于克服這一限制。雖然飽和或可變電感通常是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但 MCU 會(huì)放大指定紅色區(qū)域內(nèi)的電流，注入六個(gè)脈沖以實(shí)現(xiàn)精確且可辨別的信號(hào)。

　　高速雙向啟動(dòng)

　　為了解決強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)問題，Geehy采用了圖中所示的方法，該圖顯示了電機(jī)的相電流。APMF32F035 使用正向/反向風(fēng)檢測邏輯在檢測到電機(jī)運(yùn)行時(shí)觸發(fā)啟動(dòng)過程。該圖展示了順風(fēng)啟動(dòng)，說明了該過程

　　解決工業(yè)風(fēng)扇系統(tǒng)問題

　　APM32F035 解決了多種工業(yè)風(fēng)扇應(yīng)用的問題。針對(duì)強(qiáng)排煙風(fēng)機(jī)，支持恒功率控制、完善的保護(hù)控制、優(yōu)化的啟動(dòng)算法。高速通風(fēng)機(jī)受益于超高速運(yùn)行、弱磁控制和逆風(fēng)/順風(fēng)啟動(dòng)。工業(yè)排風(fēng)機(jī)逆風(fēng)啟動(dòng)、順風(fēng)啟動(dòng)成功率100%，保護(hù)控制完善。

　　APM32F035 作為工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用的選擇具有眾多優(yōu)勢;其他用途包括小型和大型家用電器、電動(dòng)自行車、高壓水泵和園藝工具。它提供了具有嵌入式 FOC、高效算法和強(qiáng)大 CPU 的電機(jī)控制解決方案。浮思特科技專注在新能源汽車、電力新能源、家用電器、觸控顯示，4大領(lǐng)域，為客戶提供單片機(jī)（MCU）產(chǎn)品選型采購的一站式服務(wù)，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。