根據美國能源局的統計，全球的能源約一半是被電機所消耗，因此如何改善電機控制系統的耗能便成為一個(gè)重要的課題。要降低電機的耗能，除了電機由交流電機走向直流無(wú)刷電機(BLDC)及電機本體的能效設計由IE1走向IE3之外，最重要的就是要有一個(gè)高性?xún)r(jià)比、高性能，且完全針對電機控制的專(zhuān)屬微控制器。 藉由一個(gè)針對電機控制的專(zhuān)屬高性能微控制器，即可實(shí)現先進(jìn)的控制算法。導入先進(jìn)的控制算法，除了可以讓系統達到節能之外，亦可以讓整個(gè)控制系統在無(wú)傳感器的情況下，因應負載的變化做出快速平滑的反應。傳感器的配置，會(huì )增加組件及制造成本，而且很多場(chǎng)合是無(wú)法放置傳感器的，例如當壓縮機內有化學(xué)物質(zhì)以及一些產(chǎn)品因空間太小而無(wú)法放置。本文就是使用一個(gè)32位微控制器來(lái)實(shí)現先進(jìn)的磁場(chǎng)定向控制(Field Oriented Control，FOC)、高頻電壓注入技術(shù)及空間矢量PWM(SVPWM)控制。 FOC FOC又稱(chēng)矢量控制(Vector Control)，FOC發(fā)明的初衷，就在于想把交流電機的控制方式轉換成直流電機的控制方式，直流電機的控制較簡(jiǎn)單，通過(guò)勵磁電流和轉矩電流的分別控制，即可簡(jiǎn)單且準確地控制電機電磁轉矩。 對感應電機進(jìn)行磁場(chǎng)和轉矩的解耦:交流異步電動(dòng)機調頻時(shí)電壓不變，磁場(chǎng)會(huì )發(fā)生變化，調壓的時(shí)候不調頻，磁場(chǎng)也會(huì )發(fā)生變化，因此V/F只是一種非常粗略的控制磁場(chǎng)的方式，根本達不到磁場(chǎng)的準確控制；而FOC可以實(shí)現相對更準確的磁場(chǎng)控制，但是FOC需要較高運算能力的微控制器。圖1是以偉詮電子32位微控制器為基礎的FOC系統圖，而針對內環(huán)每一次的ADC中斷，進(jìn)行如下動(dòng)作: · 利用Clarke變換，將相電流由靜態(tài)的三相變換成靜態(tài)的兩相電流。 · 利用Park變換，將靜態(tài)的兩相電流轉換成動(dòng)態(tài)的兩相電流(旋轉坐標系)。 · 利用滑動(dòng)模態(tài)(Sliding Mode)控制器，計算出電機的速度及位置。 · 使用P I 控制器，針對速度及電流進(jìn)行控制。 · 利用Park逆變換，將動(dòng)態(tài)的兩相電流變換成靜態(tài)的兩相電流(靜止坐標系)。 · 利用Clarke逆變換，將相電流由靜態(tài)的兩相變換成靜態(tài)的三相電流。 · 更新PWM輸出占空比。 · ADC中斷結束。 高頻電壓注入估計 電機的啟動(dòng)是P M S M 控制中的重要環(huán)節，PMSM的FOC系統通過(guò)施加與轉子磁場(chǎng)相垂直的轉矩電流來(lái)確保電機的順利啟動(dòng)，但這需要獲知電機初始位置。大部分無(wú)位置傳感器控制無(wú)法預知轉子初始位置，一般采用開(kāi)環(huán)啟動(dòng)或者將電機定位到預定位置啟動(dòng)。開(kāi)環(huán)啟動(dòng)因不同角度起轉，常發(fā)生的狀況有反偏、卡頓等狀況，而電機預定位要求則在很多產(chǎn)品中是不適用的。 針對PMSM零速/低速下的無(wú)位置傳感器控制(圖1)，為了解決低速時(shí)轉子位置和速度估算不準確的問(wèn)題，一般均采用由美國威斯康辛大學(xué)的M.Corley及R.Lorenz兩位教授于1996年首先提出的高頻信號注入法，目前研究較多的是高頻電壓注入法。該方法是基于電機的凸極特性，在電機定子中注入高頻電壓信號，通過(guò)對高頻電流響應進(jìn)行特定的信號處理(濾波、角度估計器)來(lái)獲得轉子位置信息。
圖1：以WT58F032為基礎的磁場(chǎng)定向/無(wú)感測控制系統架構圖。 按照電壓注入方式的不同，高頻電壓注入法可分為以下兩類(lèi)：(1)旋轉高頻電壓注入法—在定子坐標系中注入旋轉高頻電壓信號，則高頻電流響應的負序分量中含有轉子位置信息；通過(guò)對該信號進(jìn)行解調獲得電機轉子位置。(2)脈動(dòng)高頻電壓注入法—在估算的旋轉坐標系注入脈動(dòng)高頻電壓信號，則電流響應的高頻分量中將包含位置估算誤差；通過(guò)對該高頻電流信號的處理，使得估算位置收斂于實(shí)際位置。 空間矢量脈寬調制 空間矢量PWM (SVPWM)的工作原理是利用三組半橋逆變器，經(jīng)由PWM調制電壓矢量來(lái)合成電機定子電流。此合成電流在定子線(xiàn)圈上產(chǎn)生的定子磁通矢量與轉子磁通相互作用產(chǎn)生轉矩，使電機旋轉。SVPWM因是以合成定子磁通矢量來(lái)決定三組半橋逆變器的切換時(shí)序，所以命名為空間矢量脈寬調制。這種調制方法是控制電壓矢量使得電機氣隙旋轉磁通矢量軌跡逼近一個(gè)理想的圓，且有最小的磁通波動(dòng)，其轉矩紋波(Torque Ripple)最低，因此在開(kāi)路控制的情況下，電機轉速波動(dòng)亦最小。表1為電機驅動(dòng)電路的三組半橋逆變器功率開(kāi)關(guān)器件，因為空間矢量脈寬調制開(kāi)關(guān)控制并無(wú)上下開(kāi)關(guān)同時(shí)導通的定義，所以實(shí)際上可視為兩種狀態(tài)開(kāi)關(guān)時(shí)序(上開(kāi)關(guān)OFF、下開(kāi)關(guān)ON，或上開(kāi)關(guān)ON、下開(kāi)關(guān)OFF)。因此，三組功率開(kāi)關(guān)器件，總共可產(chǎn)生八種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合。
表1：SVPWM功率開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)、線(xiàn)電壓、相電壓與空間矢量之關(guān)系表。 SVPWM控制系統 以偉詮電子WT58F032微控制器為基礎的SVPWM控制系統，控制流程如下: (1)主程序部分(Main Routine)。 ① WT58F032復位； ② WT58F032芯片初始化設定； ③ 電機停止運轉； ④ Check啟動(dòng)信號是否為“真”—如為真”，進(jìn)入初始化電機配置及使能中斷；如為“假”，則回到電機停止運轉狀態(tài)。 (2)中斷服務(wù)程序(Interrupt Service Routine)。 ① 中斷服務(wù)程序啟動(dòng)； ② 輸入捕捉單元/轉子區間計算； ③ 上述“②”中計算的結果，輸出給轉速計算單元及電機相位計算單元； ④ 上述“③”中計算出來(lái)的轉速，輸出給電機相位計算單元及PID控制器； ⑤ 上述“④”中計算出來(lái)的電機相位及PID輸出給正弦波發(fā)生器，以產(chǎn)生正弦波。 圖2為基于WT58F032的SVPWM控制圖2：WT58F032為基礎的SVPWM控制輸出波形。輸出波形(M形狀)。由圖可看出，SVPWM的線(xiàn)電壓利用率相較于一般的PWM會(huì )較高，因此能達到節能的效果。
圖2：WT58F032為基礎的SVPWM控制輸出波形。 總結 偉詮電子所提出的高性?xún)r(jià)比3 2 位微控制器， 除了有高運算能力的3 2 位R ISC CPU 及內置的一個(gè)在一個(gè)指令周期就可完成32b×32b乘法運算的快速乘法器外，亦集成了針對電機控制所設計的外圍電路，包括高速ADC、高速及多模式操作PWM、PWM觸發(fā)ADC、高速比較器、QEI等。另外，考慮到工業(yè)控制的需求，此芯片支持寬壓工作(可運行于2.0V～5.5V)，且有極佳的抗噪聲能力，非常適合用在高性能電機控制系統中。 |
