然而上述情形正开始改变，不仅DSP单价已从数百美元降至3美元左右，这些DSP还整合各种精密的电力电子外围功能，例如通用定时器、PWM产生器和模拟数字转换器等。DSP核心与各种电力电子外围的整合可大幅简化设计流程；在此同时，白色家电等注重成本的市场也开始采用变速驱动，使系统发挥最大效率。这些马达迄今仍以定速或有限的变速操作为主，设计者会避免连续变速操作，使系统成本降至最低。

DSP控制器拥有足够的运算效能和电力电子外围，只要一个控制器就能提供一组或多组驱动装置所需的功能。本文将说明如何利用一个低成本的DSP控制器实现连续变速操作，进而满足低成本应用的要求。除此之外，系统可以整合前端功率因子修正和通讯模块等多种功能，以便进一步降低系统成本。最后，制造商还能达到能源效率和用水量的相关法规要求。

利用单一DSP控制器整合多种系统功能

这些新型先进的DSP控制器能让系统设计人员选择效率更高的电动马达，例如无刷直流马达（BLDC）或永磁同步马达（PMSM）等驱动装置，这些马达提供多项胜过有刷马达和交流感应马达的优势。无刷直流马达的转子结构较轻，所以效率更高、操作更安静、加速也更快。另外，它的永磁转子产生的热量较少，转矩涟波也较低，因此可使机械振动更小。

然而这些马达需要先进的算法才能顺利操作，还需要DSP控制器提供必要的运算带宽来执行马达驱动功能。为了说明起见，本文将介绍一款专为省电和省水洗衣机设计的无刷直流马达控制电路，如(图一)。这个控制电路是以一颗DSP控制器为核心，不仅能控制主要驱动马达的操作，还有充裕的效能管理，可辅助泵浦和电磁开关等零件，以便提供水量和洗衣精剂量控制等其它功能。这款组件还能执行主动功率因子修正，让家电产品从输入电源汲取更多电力。

控制组件的主要工作是产生多种高频、高分辨率的脉冲宽度调变（PWM）讯号；另外，它还必须具备充份的运算能力来执行先进算法，以便将转矩涟波减至最小、进行在线参数调整与提供精确的转速控制。除此之外，还必须缩小设计体积并减少零件数量，使它更容易生产制造。

举例来说，DSP控制器可以执行面板控制等所有内部管理功能，可有效减少所需的零件。这类组件还具备强大的弹性，不仅能为同一产品线的所有机种提供独特不同的功能，未来还能直接透过软件升级增强功能，而不需另行设计硬件。

这颗组件内建多种功能以便执行前述所有工作，包括1个40MIPS的16位定点DSP核心、16个以上的PWM信道、4个通用定时器、1个含有16组多任务输入信道的10位模拟数字转换器、编码器界面功能、序列通讯界面、SPI端口和1个系统状态监控定时器 （watchdog timer）。这款组件的PWM输出数目足以控制1个三相电压源变流器，而前端升压转换器则能实作主动功率因子修正电路。剩下的PWM信道可用于其它功能，例如热水器伺服系统和辅助马达驱动装置。

芯片内建的模拟数字转换器则可用来测量各种系统输入，如马达相位电流和功率因子修正电路的直流电源电压等。由于组件提供多达16组信道，因此其它输入可用来测量水温和水量等操作条件。

《图一 马达应用（包含功率因子修正电路）的数字讯号控制器 》

马达驱动算法和其它软件模块

马达驱动装置共有三大软件模块：变速操作所需的闭回路空间向量PWM（SVPWM）、前端输入功率因子修正，以及一个主要做为组件与操作面板之间界面的通讯模块。这类系统需要较大的直流电源，所以采用空间向量PWM技术，它有多项优点胜过弦波PWM等较简单、但效率较差的机制。

在特定的直流链（DC-link）电压输出下，空间向量PWM的三相马达功率输出比弦波PWM馈电马达还高出16％。(图二)就是空间向量PWM算法的方块图。

首先是产生参考电压向量。控制器会在直接正交（direct-quadrature；d-q）平面上以特定的速度和振幅旋转参考电压向量，参考频率ωsp由用户提供，角频率ωe则由频率产生算法控制。角度积分器的8个高位会做为指针，指向一个256字符的弦波值查询表。

只要把一个固定值（步阶幅度）加到此缓存器，指针就会以固定速率在表格上循环移动，并在移到表格尾端时折回表格的最前端继续移动。它还需要sine（α）的值，以便将参考电压向量分解成参考电压向量所在扇形区（sector）的基本空间向量。

由于6个扇形区都采用同样的分解程序，系统只需一份60°弦波值查询表。在特定的步阶幅度下，参考电压V*的角频率（周期/秒）等于：

《公式一》

其中fs是取样频率；Step是于角度的步阶增量；m则是积分缓存器的位数。PWM频率设定若为fs＝20kHz、Step＝1和m＝16，频率分辨率就变成0.061Hz，这表示设计人员对变流器输出频率的控制精确度能达到0.1Hz。查询表的大小也会影响合成弦波的谐波失真度。假设表格有256个字段，角度变动范围为60°，那么角度查询的分辨率就等于60°/256＝0.230°。

第二步是把参考电压向量变换成下列所述的一组切换变量（switching variables）。三相电压源变换器可以产生8个基本向量。系统则会透过线性组合的方式，把两个相邻的基本向量Vx和Vy、以及两个零向量中的任何一个向量，组成特定扇形区的参考电压向量V*。此时参考向量可以写成：

《公式二》

其中Vz是零向量，dx、dy和dz则是X、Y和Z状态在PWM切换期间（switching interval）的负载周期比（duty ratio）。这些负载周期比的总和等于100％的PWM周期（dx + dy + dz = 1）。现在：

《公式三》

其中Vz是零向量，dx、dy和dz则是X、Y和Z状态在PWM切换期间（switching interval）的负载周期比（duty ratio）。这些负载周期比的总和等于100％的PWM周期（dx + dy + dz = 1）。现在：

把V*分解成它的d-q分量即可得到：

《公式四》

解出dx和dy可以得到：

《公式五》

d-q参考坐标能对齐任何一个基本向量，所以这些方程序可用于6个扇形区。算法还必须计算比较值，然后将新值存入PWM模块。计算出特定参考电压V*的PWM负载周期比后，系统在每个PWM周期（50μs）都会计算3个新的比较值（Ta、Tb和Tc）以产生切换模式（switching pattern）。这些比较值可用下列公式表示：

《公式六》

这些值会加载PWM比较缓存器，控制器会在下个PWM周期开始时更新负载周期比。

马达转速信息来自25齿的链轮和霍尔效应传感器，再由组件的撷取模块精确记录霍尔效应传感器的输出。DSP会取最近25个周期的测量结果平均值，以避免转速测量常见的测量跳动现象。系统利用平均算法得到可靠的周期测量值后，即可计算周期的倒数来取得角速度（频率）。最后再由传统的比例积分算法执行闭回路转速控制。

《图二 闭回路控制算法的软件方块图》

《图三 利用一颗DSP控制器实作多种功能的实验板》

前端功率因子修正模块

这个设计利用前端升压转换技术改善输入功率因子。升压转换开关导通后，升压电感的电流会增加，请参考(图一)，二极管则会留在截止状态。等到功率开关截止后，电感储存的能量就会透过二极管送到直流链的电容。

功率因子修正电路通常会让电感电流随着整流电压改变，使输入电源的电流和电压保持同相位。为了简化测量过程，这种机制采用前向馈送控制以避免直接测量电流。它会藉由测量整流器的输出电压来取得输入电源的电流波形信息。

全波整流后的输入电压会送到模拟数字转换器的输入端，该输入端有一个电阻分压器调节讯号。这种机制还会测量直流链的电容电压，以取得输入电流的振幅信息。该电压会透过电阻分压器送到另一个模拟数字转换器输入端。

这两个电压定义了控制开关的操作负载周期比，它等于：

《公式七》

其中dactual是升压转换功率开关的负载周期比，dmax是负载周期比的最大允许值，Krec则等于整流器输出电压传感器的增益。

dmax值可以根据下列公式利用直流总线的电压值算出：

《公式八》

其中Ts是功率开关的PWM周期时间，Δerror等于VDCref – VDCout，Kdc则是直流链电压传感器的增益。

这个控制器使用传统的比例积分来计算dmax × Vref，它的实际值视应用而定，但会超过输入电源的电压峰值。模拟数字转换会与功率因子修正所用的PWM信道同步。升压转换器的体积远小于任何被动滤波器。这种主动功率因子修正机制应符合未来任何严格的电力质量法规要求。

《图四 马达的相位电流及其频谱》

《图五 输入电源的电压与电流保持同相，证明功率因子修正相当成功》

实验结果

如(图三)所示的250W实验板能提供上述的所有功能。驱动频率可以从0至60Hz。三相电压源变流器和升压转换器都使用功率MOSFET。升压转换电路的电感大约等于150μH。控制软件则使用汇编语言，这些汇编语言长度小于4k个字符，全部储存在DSP控制器内含的闪存。

这套系统也能改用内含ROM内存的DSP控制器，以进一步降低系统的总成本。(图四)显示无失真的马达相位电流及其频谱，(图五)则显示输入电源的电压与电流几乎没有相位差，证明输入功率因子已获得大幅改进。

(表一)是各种软件模块所需的DSP控制器带宽。执行这些功能显然只会占用DSP的部份效能，这表示设计人员还能视应用需要采用更先进的算法。