采用8位微控制器实现无传感器磁场定向控制

　　由于具有更高的效率、更好的动态响应以及更小的扭矩波动，磁场定向控制（FOC）正越来越多地被应用于消费和工业电机中。采用英飞凌8位微控制器XC886和XC888实现无传感器FOC技术（当输出15kHz PWM载频和133ms电流控制响应时间时）只需要占用58%的CPU负荷，就足以满足特定功能应用的需求。经过高度优化的PWM单元CAPCOM6E能触发模数转换器来测量单直流母线电阻上的电流，为能在标准的8位微控制器上实现无传感器FOC创造了条件。16位无传感器FOC算法仅由片上内嵌的协处理器MDU和CORDIC（矢量计算机）以及8051兼容CPU的联合应用就可以实现。MDU是一个16位乘法和除法单元，CORDIC是一个专用于矢量旋转和角度计算的16位协处理器。

　　在英飞凌8位微控制器XC886和XC888上实现的无传感器磁场定向控制，能为电器制造商所面临的能耗要求和定价压力提供完美的解决方案。和大多数采用硬编码方式实现的其它类型的FOC不同，基于XC886/8微控制器的解决方案具有软件重复编程能力所带来的附加优势，能向用户提供灵活多变的应用选择。

　　无传感器的磁场定向控制

　　磁场定向控制算法需要转子位置的信息。转子位置可以通过诸如编码器或旋转变压器等位置传感器来获得。另一种更省成本的方法是用于无刷直流电机（BLDC）的无传感器FOC。这一方法是基于转子永磁体与定子磁场的相互作用而实现的。

　　为了确定转子的实际角度，能通过对特定的电压积分来得到磁通量矢量。

　　基于特定微分方程的电压模型只是旋转场电机的一个简单模型。定子的电流矢量i_s需要相电流的精确测量。用一个截止频率很低的低通滤波器来代替电流矢量能简化积分。

　　在标准8位微控制器上实现的无传感器磁场定向控制（FOC）能以最小的系统代价获得正弦换向的全部优势。当在直流环节中只使用单个电阻采样来获取相电流时，对快速精确的模数转换有很苛刻的要求。相电流必须在直流母线电流信号（三相空间矢量脉冲宽度调制的响应）外被重建。

　　空间矢量是一条中心点能在空间中“浮动”的正弦曲线。三相空间矢量由一个可以被分割成六部分的六边形来表示。电压空间中的任何一条矢量都包含来自其中一相的“实”电压和来自另外两相的“虚”直角电压。空间矢量算法将确定处于第一、第二个有效状态以及无效状态的时间，从而得到所需的空间矢量的幅度和角度。参见图1中的实例。第一个有效状态（b&f）的时间为TU，第二个有效状态的时间（c&e）为T-W，无效状态的时间为T0 ，其会出现两次，第一次出现在（000）矢量位置（a&g），第二次出现在（111）矢量位置（d）。

　　为了在直流母线电流外重建相电流，必须在有效状态期间触发模数转换器。完美的正弦换向要求空间矢量也能精确地指向六边形的交角处。这样在直流环节上就只有一路相电流被测量，并且也只有一路相电流被重建。但是FOC算法本身不允许出现这一情况。因此必须采用空间矢量脉冲宽度调制来消除六边形的交角。交角的消除会导致输出信号中出现一些纹波，必须尽可能地减小这些纹波。