一、引言

隨著現代家電產品智能化的不斷發展，風機和油煙機作為廚房電器中的重要部分，其使用的電機類型逐漸向高效能、低噪聲、高穩定性的永磁同步電機（PMSM）過渡。永磁同步電機具有高效、穩定、噪聲小、調速范圍廣等優勢，因而越來越多地應用于風機和油煙機的驅動系統中。

為了實現對永磁同步電機的精確控制，需要設計一款高效的控制器，通常使用的是基于數字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）和相應驅動芯片的控制方案。本文將詳細闡述基于PMSM的油煙機風機控制器設計方案。

二、控制系統設計原理

1. 系統總體框架

風機油煙機的控制系統主要包括三部分：信號采集、控制算法、電機驅動。

• 信號采集部分：采集電機的狀態信息（如轉速、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：根據采集的數據，運用常見的控制算法（如FOC：場定向控制，或者SVM：空間矢量調制）來調節電機的運行狀態。

• 電機驅動部分：根據控制算法的輸出，驅動電機的三相電流，以實現對電機的精確控制。

2. 選擇控制方式

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

• FOC：它通過變換坐標系，將電機的控制轉化為直流電機的控制問題，因此可以實現較為精確的控制。

• DTC：它直接控制電機的轉矩和磁場，從而能更快速地響應負載變化，但計算量較大。

在風機油煙機的應用中，考慮到實時性和電路復雜度，通常選用FOC控制方法。

三、系統方案及關鍵器件選擇

1. 主控芯片（MCU/DSP）

• 推薦型號：STM32F407 或 TMS320F28069

  作用：主控芯片負責處理傳感器輸入數據，運行控制算法，并輸出PWM信號控制電機驅動。

  為什么選擇：

  功能：

• 負責接收外部傳感器（如霍爾傳感器或編碼器）的反饋信號。

• 執行FOC控制算法，實時調整電機的轉速和轉矩。

• 輸出PWM信號給電機驅動部分。

• STM32F407：具有高性能的ARM Cortex-M4核心，擁有豐富的外設接口，適合電機控制應用。并且其具有高頻率的定時器，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，專為電機控制設計，內置高效的PWM、ADC等模塊，能夠處理復雜的電機控制算法。

2. 電流傳感器

• 推薦型號：ACS712 或 INA226

  作用：用于測量電機的相電流，反饋給主控芯片，用于調整PWM輸出和實現閉環控制。

  為什么選擇：

  功能：

• 反饋電機相電流，協助主控芯片實時調整電流，保持電機在穩定狀態。

• ACS712：采用霍爾效應傳感器，能夠精確測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，具有內置的模擬數字轉換器（ADC），可以實現高精度的電流采集。

3. 絕對編碼器/霍爾傳感器

• 推薦型號：AMS AS5048A 或 Honeywell SS460S

  作用：用于反饋電機的轉子位置，主控芯片依據此信息實現FOC控制算法中的磁場定向。

  為什么選擇：

  功能：

• 通過檢測轉子的角度，反饋電機的位置信息，幫助主控芯片計算磁場方向。

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

• Honeywell SS460S：霍爾傳感器廣泛應用于永磁同步電機，簡單可靠且成本低。

4. 電機驅動芯片

• 推薦型號：IR2130 或 DRV8305

  作用：電機驅動芯片用于將主控芯片輸出的PWM信號轉換為三相電流，驅動永磁同步電機。

  為什么選擇：

  功能：

• 根據主控芯片輸出的PWM信號，控制三相電流的開關，從而控制電機的旋轉。

• IR2130：具備全橋驅動功能，支持三相電機驅動，具有較高的工作電壓和電流承載能力。

• DRV8305：這是一個集成了保護電路和高效驅動能力的電機驅動芯片，適用于需要高精度和高效率的電機控制。

5. 功率MOSFET

• 推薦型號：IRLZ44N 或 STP55NF06L

  作用：用于實現電機的功率轉換，通過驅動芯片控制電流的流動，給電機提供所需的動力。

  為什么選擇：

  功能：

• 在電機驅動芯片的控制下，切換電流，控制電機的供電狀態。

• IRLZ44N：這是一個高效能的N溝MOSFET，具有低導通電阻，適合高電流應用。

• STP55NF06L：具有較高的電流承載能力和較低的導通電阻，適用于功率較大的電機驅動。

6. 直流電源模塊

• 推薦型號：LM2596-5.0

  作用：提供電控電路所需的穩定電源。

  為什么選擇：

  功能：

• 提供電源給控制系統和傳感器。

• LM2596-5.0：這款DC-DC降壓轉換器可以提供穩定的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風機油煙機控制器電路框圖：

+---------------------+          +--------------------+
|  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 |
                                  +-----------+
                                       |
                                       |
                              +------------------+
                              | 電機驅動芯片      |
                              | IR2130/DRV8305    |
                              +------------------+
                                       |
                             +-------------------+
                             |  電機              |
                             |  PMSM             |
                             +-------------------+

五、控制算法

對于FOC控制，需要完成以下幾個主要任務：

1. 電流解耦：將電機的三相電流轉換為兩個分量（d軸和q軸），從而簡化控制問題。

2. 速度控制：通過調節q軸電流來控制電機的轉速。

3. 轉矩控制：通過調節d軸電流來控制電機的輸出轉矩。

六、總結

本方案通過選擇高效、穩定的控制器（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，實現對永磁同步電機的高效控制。所選元器件具有較好的性能和成本平衡，適用于風機油煙機領域的應用。