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作者：Microchip高級營(yíng)銷(xiāo)工程師-II Nelson Alexander 基于采用無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制（FOC）的永磁同步電機（PMSM）的高級電機控制系統快速普及，這種現象的背后有兩個(gè)主要驅動(dòng)因素：提高能效和加強產(chǎn)品的差異化。雖然有證據表明采用無(wú)傳感器FOC的PMSM可以實(shí)現這兩個(gè)目標，但需要一個(gè)可提供整體實(shí)現方法的設計生態(tài)系統才能取得成功。利用整體的生態(tài)系統，設計人員能夠克服實(shí)現過(guò)程中阻礙系統采用的各種挑戰。 為什么選擇PMSM？ PMSM電機是一種使用電子換向的無(wú)刷電機。它經(jīng)常與無(wú)刷直流電機（BLDC）混淆，后者是無(wú)刷電機系列的另一個(gè)成員，也使用電子換向，但在結構上略有不同。PMSM的結構可針對FOC進(jìn)行優(yōu)化，而B(niǎo)LDC電機經(jīng)過(guò)優(yōu)化后可使用6步換向技術(shù)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，PMSM可獲得正弦波反電動(dòng)勢（Back-EMF），而B(niǎo)LDC電機則獲得梯形波反電動(dòng)勢。 這些電機各自使用的轉子位置傳感器也不同。PMSM通常使用一個(gè)位置編碼器進(jìn)行操作，而B(niǎo)LDC電機則使用三個(gè)霍爾傳感器進(jìn)行操作。如果考慮到成本，設計人員可以考慮實(shí)施無(wú)傳感器技術(shù)，以省去磁體、傳感器、連接器和接線(xiàn)的成本。去除傳感器還有助于提高可靠性，因為這會(huì )減少系統中可能發(fā)生故障的元件數量。當比較無(wú)傳感器PMSM和無(wú)傳感器BLDC時(shí)，使用FOC算法的無(wú)傳感器PMSM可提供更出色的性能，而使用類(lèi)似硬件設計的實(shí)現成本相當。 轉用PMSM的最大受益者是那些目前正在使用有刷直流（BDC）或交流感應電機（ACIM）的應用。切換的主要好處包括具有更低的功耗、更高的速度、更平穩的轉矩、更低的可聞噪音、更長(cháng)的使用壽命和更小巧的尺寸，從而使應用更具競爭力。但是，要想實(shí)現使用PMSM的這些好處，開(kāi)發(fā)人員需要實(shí)現更復雜的FOC控制技術(shù)以及其他應用特定算法，才能滿(mǎn)足系統需求。雖然PMSM比BDC或ACIM的成本更加昂貴，但它具有更多優(yōu)勢。 實(shí)現中的挑戰 
圖1：使用三相電壓源逆變器的三相無(wú)傳感器PMSM控制系統 但是，要實(shí)現使用PMSM的優(yōu)勢，需要了解實(shí)現高級FOC電機控制技術(shù)時(shí)固有的硬件復雜性，同時(shí)還需要掌握這一領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識。圖1給出了使用三相電壓源逆變器的三相無(wú)傳感器PMSM控制系統�？刂颇孀兤餍枰龑ο嗷リP(guān)聯(lián)的高分辨率PWM信號，以及大量需要信號調理的模擬反饋信號。此系統還需要硬件保護功能來(lái)實(shí)現容錯，同時(shí)利用高速模擬比較器實(shí)現了快速響應。實(shí)現傳感、控制和保護所需的這些額外模擬元件增加了解決方案的成本，而典型的BDC電機設計或簡(jiǎn)單的ACIM每赫茲電壓（V/F）控制并不需要這些元件。 此外，還有為PMSM電機控制應用定義元件規格和進(jìn)行驗證所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 要應對這些挑戰，設計人員可以選擇一款合適的單片機，以實(shí)現與專(zhuān)為PMSM電機控制量身定制的器件規格的高度模擬集成。這將會(huì )減少所需的外部元件數量并優(yōu)化物料清單（BOM）。高度集成的電機控制器件現已具有高分辨率PWM，可簡(jiǎn)化高級控制算法、用于精密測量和信號調理的高速模擬外設、功能安全所需的硬件外設，以及用于通信和調試的串行接口的實(shí)現。
圖2：標準無(wú)傳感器FOC的框圖 此外，還有一個(gè)較大的挑戰，即電機控制軟件與電機的電機械行為之間的交互。圖2給出了標準的無(wú)傳感器FOC框圖。要將其從概念轉變?yōu)閷?shí)際的設計，需要了解控制器架構和數字信號處理器（DSP）指令，以實(shí)現數學(xué)計算密集的時(shí)間關(guān)鍵控制環(huán)。 為實(shí)現可靠的性能，控制環(huán)必須在一個(gè)PWM周期內執行。必須對控制環(huán)的時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，具體包括以下三個(gè)原因： 1) 限制：使用不低于20 kHz的PWM開(kāi)關(guān)頻率（時(shí)長(cháng)為50 μs），以抑制來(lái)自逆變器開(kāi)關(guān)的噪聲。 2) 為實(shí)現帶寬更高的控制系統，控制環(huán)必須在一個(gè)PWM周期內執行。 3) 為支持其他后臺任務(wù)（如系統監視、應用特定功能和通信），控制環(huán)需要以更快的速度運行。因此，FOC算法的目標應該是在10 μs以?xún)葓绦小?br /> 許多制造商提供了利用無(wú)傳感器估算器來(lái)估算轉子位置的FOC軟件示例。但是，在使電機開(kāi)始轉動(dòng)之前，FOC算法必須配置各種參數以匹配電機和硬件。必須對控制參數和系數進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿(mǎn)足所需的速度和效率目標�？梢酝ㄟ^(guò)結合以下方法實(shí)現這一目標：1) 使用電機數據手冊獲得參數；2) 反復進(jìn)行試驗。電機數據手冊并不能始終對電機參數進(jìn)行準確的表征，或者設計人員無(wú)法獲得高精度測量設備，在這種情況下，開(kāi)發(fā)人員將不得不借助反復試驗的方法。這種手動(dòng)調整的過(guò)程需要時(shí)間和經(jīng)驗。 PMSM電機用于許多不同的應用，運行在不同的環(huán)境中，或者存在不同的設計限制。例如，在汽車(chē)散熱器風(fēng)扇中，當電機即將啟動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)的作用，風(fēng)扇葉片有可能向相反的方向自由旋轉。在這種情況下，啟動(dòng)采用無(wú)傳感器算法的PMSM電機是一個(gè)挑戰，而且有可能損壞逆變器。一種解決方案是檢測旋轉方向和轉子位置，并利用這些信息在啟動(dòng)電機前通過(guò)主動(dòng)制動(dòng)將電機減速至靜止狀態(tài)。同樣，還可能有必要實(shí)施附加算法，如每安培最大轉矩（MTPA）、轉矩補償和磁場(chǎng)弱化[1]等。這些類(lèi)型的應用特定附加算法對于開(kāi)發(fā)實(shí)用解決方案必不可少，但它們也會(huì )延長(cháng)開(kāi)發(fā)時(shí)間并使軟件驗證復雜化，進(jìn)而增加設計復雜程度。
圖3：FOC的應用框架 降低復雜程度的一種解決方案是，設計人員創(chuàng )建一個(gè)模塊化軟件架構，這種架構可將應用特定算法添加到FOC算法中，同時(shí)不影響時(shí)間關(guān)鍵型執行。圖3給出了典型的實(shí)時(shí)電機控制應用程序的軟件架構。此框架的核心是FOC函數，該函數提供了硬時(shí)序約束和許多應用特定的附加功能�？蚣軆鹊臓顟B(tài)機將這些控制功能與主應用程序連接起來(lái)。這種架構需要在軟件函數塊之間有一個(gè)定義明確的接口，以使其實(shí)現模塊化并簡(jiǎn)化代碼維護工作。模塊化框架支持不同應用特定算法與其他系統監視、保護和功能安全程序的集成。 模塊化架構的另一個(gè)好處是將外設接口層（或硬件抽象層）從電機控制軟件中分離出來(lái)，這便于設計人員在應用功能和性能需求發(fā)生變化時(shí)，將其IP從一個(gè)電機控制器無(wú)縫遷移到另一個(gè)電機控制器。 完整生態(tài)系統的需求 應對這些挑戰需要一個(gè)為無(wú)傳感器FOC量身打造的電機控制生態(tài)系統。電機控制器、硬件、軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境應協(xié)同工作，以簡(jiǎn)化實(shí)現高級電機控制算法的過(guò)程。 為實(shí)現這一目標，此生態(tài)系統應具有以下特性： 1. 一種用于自動(dòng)執行電機參數測量、設計控制環(huán)和生成源代碼的高級工具，可讓沒(méi)有領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)知識的設計人員能夠實(shí)現FOC電機控制，并編寫(xiě)和調試非常耗時(shí)的復雜時(shí)間關(guān)鍵型代碼 2. 適用于FOC和不同應用特定附加算法的應用框架，用于縮短開(kāi)發(fā)和測試時(shí)間 3. 具有確定性響應的電機控制器以及可在單芯片中實(shí)現信號調理和系統保護的集成模擬外設，用于降低解決方案總成本
圖4：Microchip電機控制生態(tài)系統架構 圖4給出了一個(gè)電機控制生態(tài)系統架構的示例，其中包括應用框架和一個(gè)用于高性能dsPIC33電機控制數字信號控制器（DSC）的開(kāi)發(fā)套件。此開(kāi)發(fā)套件在基于GUI的FOC軟件開(kāi)發(fā)工具的基礎上構建，可以測量關(guān)鍵的電機參數并自動(dòng)調整反饋控制增益。此外，它還可為利用電機控制應用框架（MCAF）在開(kāi)發(fā)環(huán)境中創(chuàng )建的項目生成所需的源代碼。解決方案協(xié)議棧的核心是電機控制庫，這種庫可以實(shí)現應用程序的時(shí)間關(guān)鍵型控制環(huán)功能，并與dsPIC33 DSC的電機控制外設交互。此GUI可與多個(gè)可用的電機控制開(kāi)發(fā)板配合使用，支持電機參數提取并為各種低壓和高壓電機生成FOC代碼。 對高能效和產(chǎn)品差異化的需求推動(dòng)了向無(wú)刷電機的轉變。全面的電機控制生態(tài)系統可提供一種整體方法來(lái)簡(jiǎn)化基于PMSM的無(wú)傳感器FOC的實(shí)現，這種方法應包含專(zhuān)用的電機控制器、快速原型開(kāi)發(fā)板和可自動(dòng)生成代碼的易用FOC開(kāi)發(fā)軟件。 參考資料 [1] TB3220-利用角度跟蹤鎖相環(huán)估算器實(shí)現面向家用電器的永磁同步電機（表面貼裝和內置）的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制 http://www.microchip.com.cn/newc ... 3/5e65d169337d8.pdf [2] motorBench®開(kāi)發(fā)套件 https://www.microchip.com/design ... lopment-auto-tuning [3] 電機控制設計資源 https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive [4] 電機控制庫 https://www.microchip.com/design ... tor-control-library |
