工业风扇要求高效率、运动平稳、低噪音。磁场定向控制 (FOC) 等先进算法可以有效地实现这些目标，尽管需要付出巨大的计算和经济成本。然而，具有集成 FOC 的专用电机控制微控制器（MCU）可减轻成本和计算问题，并且某些设计还可以解决其他问题，例如位置检测和平滑双向启动。

　　在本文中，我们将研究如何利用先进的微控制器(MCU)功能提高工业风扇性能，然后讨论工程师在实施工业风扇电机控制时面临的问题。

　　工业风扇控制器

　　风扇控制器调节风扇电机的速度，控制产生的空气运动。然而，调节风扇速度不仅仅影响空气流动：它还可以控制噪音水平和能耗。

　　请注意，比较器、运算放大器和 ADC 均集成在该系统中，为整个控制系统提供一体化解决方案。这种高度集成有助于提高系统性能并简化工程师的实施任务。

　　电机控制器的一个重要方面是所使用的控制算法。算法的类型可以基于电机的类型(例如，梯形或正弦)、是否使用位置传感器以及速度和电流控制要求是什么。

　　磁场定向控制

　　随着微控制器容量的增加，电机控制行业开始关注更复杂的高端控制算法，例如 FOC。图 2 所示的电机控制系统使用 FOC，也称为矢量控制。矢量控制适用于三相交流电动机，包括两相步进电动机和无刷直流 (BLDC) 电动机(图 2 中使用的类型)。

　　FOC 的目标是在给定速度下实现最大扭矩，它通过确保转子磁场滞后于定子 90 度来实现这一目标。为了实现这一目标，控制系统必须：

　　测量电机电流。

　　测量转子位置(使用速度和位置传感器或间接推断)

　　将电机电流变换到随转子旋转的坐标系中。

　　计算转子磁通角

　　控制定子绕组中的电流以实现 90 度转子滞后

　　FOC 支持在整个速度范围内平滑加速和减速，并在启动时产生全扭矩。事实证明，当高性能运动应用(包括工业风扇)需要高精度控制时，它是理想的选择。

　　工业风扇性能的关键问题

　　多年来，BLDC 电机控制器取得了很大进展，特别是随着处理能力的提高和专用 MCU 的使用。然而，工程师在处理工业风扇电机控制时仍然面临挑战，包括电力的有效利用、噪音控制和平稳的性能。FOC 可以缓解这些特定问题，但其典型实施仍然存在问题，需要额外的组件，例如外部传感器，这会增加成本并导致更长的物料清单 (BoM)。

　　工业风扇性能的另一个问题是初始位置检测，这对于工业风扇至关重要，因为它会影响初始启动和运行性能，并且可能出现意外反转。标准电机的传统启动顺序包括三个不同的阶段：定位、加速和闭环。在定位阶段，可能会出现意外逆转的可能性。

　　此外，高速双向启动仍然是一个挑战：当存在大风时，风扇可能在启动之前就已经在运转。在启动风扇运行之前，必须确定电机是否已在运转。例如，当电机因逆风而处于反转边缘时，应逐渐减速。尽管存在解决方案，但它们需要提供工程师寻求的性能。

　　利用 MCU 特殊功能提高风扇性能

　　正如我们到目前为止所讨论的，提高工业风扇性能可能是一项具有挑战性的任务。FOC 和其他功能的实现对于系统设计人员来说可能很棘手。幸运的是，当今先进的 CPU 现在提供了满足这些需求的复杂技术。Geehy 的 APM32F035 MCU就是一个例子。

　　该芯片是一款 32 位 FOC 电机控制专用 MCU，基于运行频率为 72 MHz 的 Arm Cortex-M0+ 内核。M0CP 协处理器包含移位单元、32 位/32 位除法器、乘加运算、平方根、三角函数和 SVPWM，进一步增强了性能。

　　该 MCU 还集成了电机专用 PWM，用于与 M0CP 关联的互补模式和制动模式。图 4 显示了高压电机控制评估板，但也提供低压评估板。

　　集成FOC

　　APM32F035 MCU 包括一个带有专用数学加速器的集成矢量计算机，可全面支持计算密集型 FOC 控制算法。这种集成消除了对外部传感器的需求，提高了效率，并提供有效的开环启动。它还降低了总体设计成本，包括减少了 BoM。

　　初始位置检测

　　传统的启动方法很难有效地解决初始位置检测 (IPD)，但 APM32F035 凭借其创新的初始位置检测功能，有助于克服这一限制。虽然饱和或可变电感通常是行业标准，但 MCU 会放大指定红色区域内的电流，注入六个脉冲以实现精确且可辨别的信号。

　　高速双向启动

　　为了解决强风导致的运动问题，Geehy采用了图中所示的方法，该图显示了电机的相电流。APMF32F035 使用正向/反向风检测逻辑在检测到电机运行时触发启动过程。该图展示了顺风启动，说明了该过程

　　解决工业风扇系统问题

　　APM32F035 解决了多种工业风扇应用的问题。针对强排烟风机，支持恒功率控制、完善的保护控制、优化的启动算法。高速通风机受益于超高速运行、弱磁控制和逆风/顺风启动。工业排风机逆风启动、顺风启动成功率100%，保护控制完善。

　　APM32F035 作为工业电机控制应用的选择具有众多优势;其他用途包括小型和大型家用电器、电动自行车、高压水泵和园艺工具。它提供了具有嵌入式 FOC、高效算法和强大 CPU 的电机控制解决方案。浮思特科技专注在新能源汽车、电力新能源、家用电器、触控显示，4大领域，为客户提供单片机（MCU）产品选型采购的一站式服务，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。