淺談實現(xiàn)高級電動機控制系統(tǒng)的兩個主要因素

采用基于帶有無傳感器磁場定向控制（FOC）的永磁同步電動機（PMSM）的高級電動機控制系統(tǒng)，有兩個主要的驅動因素：提高能源效率和加強產品差異化。雖然具有無傳感器FOC的PMSM已被證明可以實現(xiàn)這兩個目標，但需要一種提供整體解決方法的生態(tài)系統(tǒng)。

圖1：使用三相電壓源逆變器的三相無傳感器PMSM控制系統(tǒng)

為什么選擇PMSM？

PMSM電動機是使用電子換向的無刷電動機。它經常與無刷直流電動機（BLDC）混淆，后者是無刷電動機家族的另一成員，它也使用電子換向，但結構略有不同。PMSM的結構針對FOC進行了優(yōu)化，而BLDC電機經過優(yōu)化以使用6步切換技術。優(yōu)化導致PMSM具有正弦反向電動勢（Back-EMF），而BLDC電機具有梯形反向電動勢。

這些電動機中的轉子傳感器也不同。PMSM通常使用位置編碼器，而BLDC電機使用三個霍爾傳感器進行操作。如果需要考慮成本，設計人員可以考慮采用無傳感器技術，從而消除了磁體、傳感器、連接器和布線的成本。由于減少了系統(tǒng)中可能發(fā)生故障的組件，因此消除傳感器還提高了可靠性。當將無傳感器PMSM與無傳感器BLDC進行比較時，使用FOC算法的無傳感器PMSM可以提供更好的性能，同時使用類似的硬件設計，并且實現(xiàn)成本相當。

切換到PMSM的最大受益者是那些當前使用有刷直流（BDC）或交流感應電動機（ACIM）。開關的主要優(yōu)點包括更低的功耗，更高的速度，更平穩(wěn)的轉矩，更低的噪聲，更長的使用壽命以及更小的尺寸，從而使該技術更具競爭力。但是，為了通過使用PMSM實現(xiàn)這些好處，開發(fā)人員需要實現(xiàn)更復雜的FOC控制技術以及其他特定于應用的算法，以滿足系統(tǒng)需求。與BDC或ACIM相比，PMSM更為昂貴，但它提供了更多優(yōu)勢。

實施挑戰(zhàn)

但是，要實現(xiàn)使用PMSM的優(yōu)勢，需要了解實現(xiàn)先進的FOC電機控制技術所固有的硬件復雜性，以及所需的領域專業(yè)知識。圖1顯示了使用三相電壓源逆變器的三相無傳感器PMSM控制系統(tǒng)?？刂颇孀兤餍枰龑ο嗷リP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。該系統(tǒng)還需要具有容錯的硬件保護功能，該功能使用高速模擬比較器進行設計以實現(xiàn)快速響應。感測、控制和保護所需的這些額外的模擬組件會增加解決方案成本，典型的BDC電機設計或ACIM的控制不需要這些。

定義和驗證PMSM電機控制應用的組件規(guī)格還需要額外的開發(fā)時間。為了應對這些挑戰(zhàn)，設計人員可以選擇微控制器，可以提供高度的模擬集成，并具有針對PMSM電機控制量身定制的設備規(guī)格。這將減少所需的外部組件數量，并優(yōu)化物料清單（BOM）。高度集成的電機控制設備現(xiàn)已提供高分辨率PWM，以方便實施高級控制算法，用于精密測量和信號調節(jié)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。

同樣具有挑戰(zhàn)性的是電動機控制軟件與電動機機電行為之間的相互作用。圖2顯示了標準的無傳感器FOC框圖。要將其從一個概念應用于實際設計，需要了解控制器架構和數字信號處理器（DSP）指令，以實現(xiàn)對數學要求嚴格的時間緊迫的控制回路。

圖2：標準無傳感器FOC的框圖

為了獲得可靠的性能，控制回路必須在一個PWM周期內執(zhí)行。需要對控制回路進行時間優(yōu)化的三個原因。

1）約束：使用等于或大于20KHz（50uS時間段）的PWM開關頻率來抑制逆變器開關產生的噪聲。

2）為了獲得更高帶寬的控制系統(tǒng)，控制回路必須在一個PWM 周期內執(zhí)行。

3）為了支持其他后臺任務，例如系統(tǒng)監(jiān)視，特定于應用程序的功能和通信，控制回路需要運行得更快。FOC算法的目標應是在少于10uS的時間內執(zhí)行。

許多制造商都提供了FOC展示軟件，該軟件帶有用于轉子位置的無傳感器估算器。但是，在FOC算法甚至無法開始旋轉電動機之前，必須配置各種參數以使其與電動機和硬件相匹配。為了滿足所需的速度和效率目標，必須進一步優(yōu)化控制參數和系數。這可以通過以下組合實現(xiàn)：1）使用電機數據表推導參數，2）通過試錯法進行實驗。當電動機參數可能無法始終準確地表征電動機參數時，或者當設計人員無法使用高精度測量設備時，開發(fā)人員將不得不采用試錯法。手動調整的過程需要時間和經驗。

PMSM電動機用于許多不同的應用，可在不同的環(huán)境中運行或具有不同的設計限制。例如，在汽車散熱器風扇中，當發(fā)動機將要啟動時，由于風的作用，風扇葉片可沿反方向自由旋轉。在這種情況下，使用無傳感器算法啟動PMSM電機是一項挑戰(zhàn)，可能會損壞逆變器。一種解決方案是檢測旋轉方向和轉子位置，并使用此信息通過主動制動，在啟動電動機之前使電動機減速至停止狀態(tài)。同樣，可能有必要實施其他算法，例如每安培最大轉矩（MTPA），轉矩補償和弱磁等。這些類型特定于應用程序的附加算法對于開發(fā)實用的解決方案是必不可少的，但它們也會因為增加開發(fā)時間和軟件驗證復雜化而增加設計復雜性。

降低復雜度的一種解決方案是讓設計人員創(chuàng)建一種模塊化軟件體系結構，該體系結構使特定于應用程序的算法可以添加到FOC算法中，而不會影響時間緊迫的執(zhí)行。圖3顯示了典型的實時電機控制應用程序的軟件架構。該框架的核心是FOC功能，它具有嚴格的時序約束和許多特定于應用的附加功能，框架中的狀態(tài)機負責控制功能與主應用程序接口。該體系結構需要在軟件功能塊之間有一個定義明確的接口，以使其模塊化并簡化代碼維護。模塊化框架支持將不同的特定于應用程序的算法與其他系統(tǒng)監(jiān)視，保護和功能安全案例進行集成。

圖3：FOC的應用框架

模塊化體系結構的另一個好處是將外圍接口層（或硬件抽象層）與電機控制軟件分離，這使設計人員可以隨著應用程序和性能要求的變化將IP無縫地從一個電機控制器遷移到另一個電機控制器。

完整生態(tài)系統(tǒng)的要求

為了應對這些挑戰(zhàn)，需要針對無傳感器FOC設計量身定制的電機控制生態(tài)系統(tǒng)。電機控制器，硬件，軟件和開發(fā)環(huán)境都應一起工作，以簡化實現(xiàn)高級電機控制算法的過程。為此，生態(tài)系統(tǒng)應具有以下功能：

1.一種高級工具，可自動執(zhí)行電機參數測量，設計控制環(huán)并生成源代碼，使沒有專業(yè)知識的設計人員也可以實現(xiàn)FOC電機控制以及編寫和調試非常耗時的關鍵代碼。

2. FOC的應用程序框架和不同的特定于應用程序的附加算法減少了開發(fā)和測試時間。

3.具有確定性響應的電機控制器和集成的模擬外設，可在單個芯片中進行信號調理和系統(tǒng)保護，從而降低了解決方案的總成本。

圖4顯示了一個電機控制生態(tài)系統(tǒng)架構的示例，其中包括應用程序框架和用于高性能dsPIC33電機控制數字信號控制器（DSC）的開發(fā)套件。該開發(fā)套件基于GUI的FOC軟件開發(fā)工具構建，該工具可以測量關鍵的電機參數并自動調整反饋控制增益。它還使用Motor Control應用程序框架（MCAF）為在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建的項目生成所需的源代碼。解決方案堆棧的核心是電機控制庫，它使實現(xiàn)應用程序的時間緊迫的控制回路功能以及與dsPIC33 DSC的電機控制外設進行交互成為可能。這個GUI與多個可用的電機控制開發(fā)板配合使用，以支持電機參數提取以及適用于各種低壓和高壓電機的FOC代碼生成。

圖4：Microchip Technology電機控制生態(tài)系統(tǒng)架構

對高能效和產品差異化的需求推動了向無刷電機的過渡。 全面的電機控制生態(tài)系統(tǒng)提供了一種整體方法來簡化帶有PMSM的無傳感器FOC的實現(xiàn)，并且應包括專用的電機控制器，快速原型開發(fā)板和易于使用的FOC開發(fā)軟件，以實現(xiàn)代碼自動生成。
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