一、引言

隨著現(xiàn)代家電產(chǎn)品智能化的不斷發(fā)展，風(fēng)機(jī)和油煙機(jī)作為廚房電器中的重要部分，其使用的電機(jī)類型逐漸向高效能、低噪聲、高穩(wěn)定性的永磁同步電機(jī)（PMSM）過(guò)渡。永磁同步電機(jī)具有高效、穩(wěn)定、噪聲小、調(diào)速范圍廣等優(yōu)勢(shì)，因而越來(lái)越多地應(yīng)用于風(fēng)機(jī)和油煙機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的精確控制，需要設(shè)計(jì)一款高效的控制器，通常使用的是基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器（MCU）和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)芯片的控制方案。本文將詳細(xì)闡述基于PMSM的油煙機(jī)風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案。

二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1. 系統(tǒng)總體框架

風(fēng)機(jī)油煙機(jī)的控制系統(tǒng)主要包括三部分：信號(hào)采集、控制算法、電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

• 信號(hào)采集部分：采集電機(jī)的狀態(tài)信息（如轉(zhuǎn)速、位置、相電流等），常用傳感器包括霍爾傳感器或編碼器。

• 控制算法部分：根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，運(yùn)用常見(jiàn)的控制算法（如FOC：場(chǎng)定向控制，或者SVM：空間矢量調(diào)制）來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分：根據(jù)控制算法的輸出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相電流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。

2. 選擇控制方式

永磁同步電機(jī)的常見(jiàn)控制方式有兩種：FOC（Field Oriented Control）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。

• FOC：它通過(guò)變換坐標(biāo)系，將電機(jī)的控制轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)的控制問(wèn)題，因此可以實(shí)現(xiàn)較為精確的控制。

• DTC：它直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)，從而能更快速地響應(yīng)負(fù)載變化，但計(jì)算量較大。

在風(fēng)機(jī)油煙機(jī)的應(yīng)用中，考慮到實(shí)時(shí)性和電路復(fù)雜度，通常選用FOC控制方法。

三、系統(tǒng)方案及關(guān)鍵器件選擇

1. 主控芯片（MCU/DSP）

• 推薦型號(hào)：STM32F407 或 TMS320F28069

  作用：主控芯片負(fù)責(zé)處理傳感器輸入數(shù)據(jù)，運(yùn)行控制算法，并輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

  為什么選擇：

  功能：

• 負(fù)責(zé)接收外部傳感器（如霍爾傳感器或編碼器）的反饋信號(hào)。

• 執(zhí)行FOC控制算法，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

• 輸出PWM信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。

• STM32F407：具有高性能的ARM Cortex-M4核心，擁有豐富的外設(shè)接口，適合電機(jī)控制應(yīng)用。并且其具有高頻率的定時(shí)器，能夠精確控制PWM輸出，滿足FOC控制的需求。

• TMS320F28069：基于C2000系列的DSP，專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)，內(nèi)置高效的PWM、ADC等模塊，能夠處理復(fù)雜的電機(jī)控制算法。

2. 電流傳感器

• 推薦型號(hào)：ACS712 或 INA226

  作用：用于測(cè)量電機(jī)的相電流，反饋給主控芯片，用于調(diào)整PWM輸出和實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

  為什么選擇：

  功能：

• 反饋電機(jī)相電流，協(xié)助主控芯片實(shí)時(shí)調(diào)整電流，保持電機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)。

• ACS712：采用霍爾效應(yīng)傳感器，能夠精確測(cè)量直流電流和交流電流，且具有較好的抗干擾能力。

• INA226：這是一款高精度的電流/電壓傳感器，具有內(nèi)置的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），可以實(shí)現(xiàn)高精度的電流采集。

3. 絕對(duì)編碼器/霍爾傳感器

• 推薦型號(hào)：AMS AS5048A 或 Honeywell SS460S

  作用：用于反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，主控芯片依據(jù)此信息實(shí)現(xiàn)FOC控制算法中的磁場(chǎng)定向。

  為什么選擇：

  功能：

• 通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的角度，反饋電機(jī)的位置信息，幫助主控芯片計(jì)算磁場(chǎng)方向。

• AMS AS5048A：該編碼器具有高精度，能夠提供多達(dá)14位的分辨率，適合高性能電機(jī)控制。

• Honeywell SS460S：霍爾傳感器廣泛應(yīng)用于永磁同步電機(jī)，簡(jiǎn)單可靠且成本低。

4. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

• 推薦型號(hào)：IR2130 或 DRV8305

  作用：電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片用于將主控芯片輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為三相電流，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。

  為什么選擇：

  功能：

• 根據(jù)主控芯片輸出的PWM信號(hào)，控制三相電流的開(kāi)關(guān)，從而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

• IR2130：具備全橋驅(qū)動(dòng)功能，支持三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有較高的工作電壓和電流承載能力。

• DRV8305：這是一個(gè)集成了保護(hù)電路和高效驅(qū)動(dòng)能力的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，適用于需要高精度和高效率的電機(jī)控制。

5. 功率MOSFET

• 推薦型號(hào)：IRLZ44N 或 STP55NF06L

  作用：用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片控制電流的流動(dòng)，給電機(jī)提供所需的動(dòng)力。

  為什么選擇：

  功能：

• 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制下，切換電流，控制電機(jī)的供電狀態(tài)。

• IRLZ44N：這是一個(gè)高效能的N溝MOSFET，具有低導(dǎo)通電阻，適合高電流應(yīng)用。

• STP55NF06L：具有較高的電流承載能力和較低的導(dǎo)通電阻，適用于功率較大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

6. 直流電源模塊

• 推薦型號(hào)：LM2596-5.0

  作用：提供電控電路所需的穩(wěn)定電源。

  為什么選擇：

  功能：

• 提供電源給控制系統(tǒng)和傳感器。

• LM2596-5.0：這款DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器可以提供穩(wěn)定的5V電壓，適合為控制電路提供電源。

四、電路框圖

下圖展示了基于STM32控制器的PMSM風(fēng)機(jī)油煙機(jī)控制器電路框圖：

+---------------------+          +--------------------+
|  電源模塊           |----------|  主控芯片（STM32F407）|
|  LM2596-5.0         |          |  (FOC控制算法)      |
+---------------------+          +--------------------+
                                        |
                                        |
                                       / 
                                  +---/   ---+
                                  | 電流傳感器 |
                                  | ACS712/INA226 |
                                  +-------------+
                                       |
                                  +----+----+
                                  |  編碼器  |
                                  | AMS AS5048A |
                                  +-----------+
                                       |
                                       |
                              +------------------+
                              | 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片      |
                              | IR2130/DRV8305    |
                              +------------------+
                                       |
                             +-------------------+
                             |  電機(jī)              |
                             |  PMSM             |
                             +-------------------+

五、控制算法

對(duì)于FOC控制，需要完成以下幾個(gè)主要任務(wù)：

1. 電流解耦：將電機(jī)的三相電流轉(zhuǎn)換為兩個(gè)分量（d軸和q軸），從而簡(jiǎn)化控制問(wèn)題。

2. 速度控制：通過(guò)調(diào)節(jié)q軸電流來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3. 轉(zhuǎn)矩控制：通過(guò)調(diào)節(jié)d軸電流來(lái)控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

六、總結(jié)

本方案通過(guò)選擇高效、穩(wěn)定的控制器（如STM32F407或TMS320F28069），配合高精度的電流傳感器和位置傳感器，利用FOC控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的高效控制。所選元器件具有較好的性能和成本平衡，適用于風(fēng)機(jī)油煙機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。