富士通180度直流变频解决方案

本文整理自Fujitsu产品经理  彭涛在2012嵌入式开发者论坛上 的演讲，点击下载演讲PDF，结合演讲PDF的富士通电机180度变频控制方案，包括控制模型、核心控制算法、变频电机软件结构、变频空调/冰箱/洗衣机应用框图等，加深对富士通180度空调变频 控制方案、富士通180度全直流双电机变频方案的了解。

富士通半导体简介和发展历程
我主要跟大家分享一下富士通在电机控制上的一些技术。我估计大家也不一定熟悉富士通，我首先给大家简介一下富士通。第二个我想给大家简介一下富士通做电机控制这一系列的CortexM3产品。最后我想跟大家探讨一下富士通在我们所说的电机控制以及变频电机的一些控制上面的一些方案和一些算法。富士通现在叫做富士通亚太公司，它的总部主要在上海，主要由几个公司所组成，一个是新加坡的富士通南亚。另外一个就是富士通香港，还有就是在富士通上海了。我们主要是做半导体，包括半导体的生产、销售和整个的营销。在这个过程中，实际富士通在成都也成立了IC设计和方案应用的公司，叫做富士通成都设计中心，那对富士通实际上从我们来说在亚太的区域的话我们主要就是我们说的南亚和北亚，在北亚区主要就是中国，大中国区，包括中国、台湾和香港。但是南亚这一块儿主要是以新加坡为主的东南亚，包括南亚，印度，以及我们说大洋洲这一块儿，澳大利亚和新西兰。对富士通实际上可能大家不一定非常熟悉，但是如果说我相信用笔记本的，可能大家或许知道富士通笔记本。那么富士通半导体实际上是富士通集团下面拆分出来的性外一个公司，目前是独立运营，对我们所销售的产品最主要的还是我们说的半导体，IC。IC实际上包含了，比如FM铁电，如果我相信在西南区和中国区的话如果用铁电的话，应该知道其实富士通的铁电。那么大概就是目前整个全球只有两家生产铁电。当然还有一个就是我今天讲的主题 MCU，包括8位，16位，32位机。当然可能还有一些，如果说你知道的话，可能做一些机顶盒，做一些编解码器件，富士通在这一块儿也是比较前的。当然有一些我们说消费类的，消费类的其实如果说的话，我相信现在每个人手里都有手机，照相机，如果我们说到单反照相机，手持机。比如说三星像它需要比较高精度的图象处理器，实际上也用到了富士通的。所以说实际上的话整个富士通大概特别是在亚太这一块儿，给客户提供的不仅仅是一颗IC，实际上它包含做IC，再到客户的一个方案，再到成熟产品整个的案子的一个设计。所以的话，在这边我们不仅提供到我们的半导体原器件，也提供了我们的服务。这个服务包含了我们的设计服务和包含了一些物流服务，总的来说我们的目标是希望把我们做到的一些目标市场，做到我们“一站化”的这种支持。所以基于这样子，因为大家今天都在成都，那在富士通成都这边我们大概有200-300人这样子的一个团队，这个团队最主要就是从事半导体和我们所说的从事方案的开发。[member]
如何更好的对电机进行控制

前面介绍了富士通，回过头来还是进行主题。谈到我们对电机的控制。实际的话大家如果熟悉电机的话，因为终端电机整个市场，包括交流电机和直流电机。那从交流电机的话我们所说，一般的立式电机，感应交流电机，然后再到直流电机的单相直流，再到直流无刷或者是同步的整个这一块儿。那我们其实所看到的我们的产品，其实很多的话，我相信百分之六七十的电的耗能是用在电机上面，那么怎么来对电机能控制的更好呢。实际上富士通提供了各种不同的产品和方案的支持。那么在这里面的话我今天想跟大家强调的就是我们的CortexM3 ，就是以ARM Cortex M3我们叫做FM3为系列，这样的话它可以的话，比如说做到我们说126简单的VF的控制双管，或者现在我们说做到FM3，哪怕矢量控制正弦波的控制。那么在这里的话我主要是跟大家分享这一点。实际上我们所看到的富士通的产品，它不仅仅可能在电机，电机包括了我们说家用电子的电机，包括了工业电子的电机，特别是在家用电子的电机上面的话，富士通实际上还有它的一些独特之道。那么我在这里可能我们做同步录音机，交流感应电机和直流无刷电机的话，这样一系列产品针对一系列的方案。那实际上的话来看，如果说我们所说到的现在的一个电机控制实际上都是变频，大家其实也很纳闷，我控制电机的频率怎么会变呢，因为的话我只要固定来驱动它。实际上这个频率我们主要来说的话是推动它控制，因为电机的话如果说在三线电机这上面的话，都有ABC三线，然后在这个上面的话它还是通过我们说的PWM的占分比来进行控制它的速度，控制它的整个运转的频率，那么在这个上面的话，实际上就是我们在调节这一块儿。那以前可能大家知道120度是翻倍来控制，像目前的话可能变成正弦波，在正弦波上面我们所说到变频，实际上指的它的载波的频率。那么实际上在这上面我想跟大家带来一个信息就是富士通做这个变频控制大概已经有超过10年，而且是指我们不包括在日本，是指在中国国内。那我们跨越了从交流的变频一直到直流120度，再到现在我们说的180度使用非常多的变频，而且这三个大家可以看到，我在这三面有非常多的数字，这个实际上也表示了目前电机发展，变频发展的一个趋势了。比如说分流电阻，以前的话可能要两立，现在你要节约省钱的话变成一立，再一个分流电阻在后面我可能还做两个电机的控制。那么在富士通它的产品和它的方案都能够解决到。

变频电机180度的控制

对于我们来说实际上电机控制，特别是我们说变频电机180度的控制的话，它的整个一个特点来说，其实可以看到，因为在这上面它要有一定的硬件和软件，特别是在软件上面它是以自团定向，FM3这样为基准的。第二个来说的话，因为这个控制需要有一个B方控制，需要检测到你的电流和你的速度的整个的PI的调节。第三个就是说目前实际上我们所看到的在做电机温升估算的时候，其实有三种方法。但前面两种的话大家可能都知道，一个来说就是华能观察，这个大概在日系是非常喜欢用到的。第二个就是我们说的叫索线，P22的索线的控制。然后现在实际上大家也可能在研究新的方法上面有一种叫做高频注入法，这种就是我整个的电机不运转，我也能判断它的位置在哪里。因为我们是做一个使用控制，这个的话就是要找到它的位置的话，接下来我才能使我的控制更精确。所以说的话，包括可能其他的话，就是索线控制和转矩补偿，包括现在绿色的，我也不能污染电源，所以同样支持PFC的。这个大概是我们180度控制的一个模型了。至于详情的话我先不跟大家简介，总的来说就是分流电阻的一些变换，再通过变换的控制从而达到这样的一些。
电机控制算法
那回过头来说我们整个的算法，实际上已经包含在我刚才所说到的，我们首先的话是持长电线的一个控制，拿在这个上面的话是基于一个正弦波的TWM的一个控制，然后当然刚才我说到的B环控制的PI调节环，比如说我刚才说的电流环和速度环。然后在这上面通过一个坐标图的变换最终来驱动正弦。在这个过程中当然我们会检测到位置和速度，所以这个就是刚才我所说到的一系列的算法。这是高级的，实际上的话真的在用产品的时候，在大规模的产品化的时候它来需要的。比如说我的电机，我诊断的噪声太强，我需要运行稳定，那么怎么样运行方便啊，所以这部分实际上是提供一整套的方案给大家。那实际上在这边的特点实际上大家可以看到，以前大家可能说，以前我一个8位机也可以控制，为什么现在用32位机更高的呢。实际上这有一个整个市场对控制效率的提高，然后另外来说也是一个电机整个控制的舒适感。比如说我的噪声可能更小，我的效率可能更高，转动可能更平稳。在这上面实际上就是富士通构建我们整个32位的处理器，那么它实现了这样一系列的特性。从而使得你可以达到你电机的完美控制。

那么实际上说回来就是说，我刚才这个主题是FM3和电机控制技术，其实刚才我们说了一些算法。回过头来说我们的产品。我们的产品就是一个V控制器了，V控制器的话实际上现在富士通我们主推的是以ARM Cortex M3 这一内核为系列的一系列的单面机。我可以跟大家说目前富士通已经出了三四百款我们说的Cortex M3 ，叫做FM3，所有这系列的话，全部都可以来用做我们的电机控制。因为在这个上面的话我们构建了一个硬件的，我们说电机控制一个宏单元叫多功能电视器，这个多功能电视器可以产生正弦波，而且可以和AD关联，然后可以进行时间的一个控制，在这个过程中就使得你做一些，我们说不管是VF也好，是FMC的控制也好，就非常的方便了。当然还有一部分就是我们的AD模块，AD模块现在的话我们可能是12倍的已经，而且转换的速度大概是在一个微秒，那么即将推出的产品是在0.5个微秒这样子。所以的话你可以用更快的时间得到你的信号。当然在这里的话，因为我们目前的话切换到ARM Cortex的核，实际上我们发现ARM推这个的话也是我们随着它的动态更快，它一些处理算法，处理运算，比如说我在算的时候要累加绳或者其他的一系列的，这一系列的运算中它可能给你带来更快的一个时间。那么整个来说实际上的话，我们刚才说到的就是产品和算法。其实我提供给客户的时候，我不仅仅是一个硬件，而且还是一个软件。那富士通提供给大家这样一个函数库，这个函数库当然可能有需要和有需求的时候可能跟我们的分销商，或者跟我们自己，因为我们在成立自己的分销公司进行联系。所以这个和MCU的驱动相关联的。然后在终端我们说基本层，这种基本层就是整个一个FMC的一个功能。在这个上面可能有一些高级的层，这就是我们所说的一些特性，比如说索线驱动，来测评啊，PFC，要预热，保护啊。当然我们刚才说到的，其实有编码器接口，可以做位置的控制。所以在这上面可以看到说，现在加上你的一个应用层的话，你可以驱动各种各样的马达。
电机控制的硬件和软件方案

那OK，前面是说到我们这样的库，在这个库上面我们有一个特色，我们有一个变频马达的开发，硬件平台。这个硬件平台我们实际上在前面的展位有用到，它实际可以推动我们说的交流感应电机，直流无刷同步，而且直接接上你的电机的位置，我们总端的话，包括它的一些电源、电压、驱动全部都在这一块儿上面。而且的话，在下面有一个适配板，这个适配板可以更换不同的MCU，我们说现在到48角到176角的话都有不同的Cortex M3 的产品，如果你换不同的适配板的话可以调节到你需要的MCU，当然我们也提供一个PC端的一个调剂。这个调剂基本上能够实现一些参数的观测和有些比如说电机参数测试之后把它载入进去。这个大概就是我们推出来的一系列的方案，这些方案实际上我在这里说，我不仅仅是一个参考设计，我实际上是做到一个客户的量产的这样一个方案。

那实际上我今天主要的重点就是我们以前所有的内核的8位，16位，我们现在都切换到Cortex M3 的产品来。Cortex M3 刚才说到从20兆到144兆整个的这一系列的产品，包括4个产品群。而且它有一个非常好的，我跟大家强调一下。就是在电机控制的时候很多人都喜欢用5伏，我们除了一个系列，其他的系列全部都支持3伏到5伏的产品。当然这个可能一些框图的话就是我们所说的空调的压机，然后两个电机能够控制，包括一些变频冰箱的控制，包括洗衣机的话，我们做DD直驱的电机，直流无刷的电机控制。当然我们也提供一系列的参考方案，如果对这一块儿感兴趣的，可以和我们私下来联系一下。包括我们所说的180度整个的变频空调的控制，而且双电机的一个控制。所以最后来说的话，其实我相信在这里给大家推广一下，大家主要有一个概念就是说富士通还是做电机控制的，而且这个电机控制有一系列的硬件和软件的方案，如果有这个需求的就可以跟我们联系，而且如果说比较大的客户我们也可以考虑到我们的一些线上技术支持和我们有一些原码的定制和开放。