基于Zynq-7000 AP SoC實(shí)現(xiàn)高效馬達(dá)控制設(shè)計(jì)實(shí)例 - 全文

碳足跡、綠色能源和氣候變化屢現(xiàn)新聞?lì)^條，引人矚目。為保證我們的后代有一個(gè)潔凈的生活環(huán)境，我們必須立即行動(dòng)起來(lái)。為此，發(fā)達(dá)國(guó)家的政府以稅費(fèi)的方式來(lái)降低碳排放和能源使用。由于超過(guò)半數(shù)的電力用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)，因此設(shè)計(jì)人員不是應(yīng)該而是必須采用更加高效的馬達(dá)控制與設(shè)計(jì)。

電動(dòng)馬達(dá)的作用就是把電能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能，而效率則是指產(chǎn)生的機(jī)械能與所用的電能之比。馬達(dá)的振動(dòng)、發(fā)熱、噪聲和諧波屬于各種形式的損耗，要實(shí)現(xiàn)高效率，就應(yīng)減少這些能耗。那么有哪些設(shè)計(jì)技巧可供設(shè)計(jì)人員使用，以幫助他們實(shí)現(xiàn)高效率呢？　

本文將介紹綜合運(yùn)用磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法和脈沖頻率調(diào)制(PFM)嚴(yán)密地控制馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)高精度與高效率。

FOC

標(biāo)量控制(或者常稱(chēng)的電壓/頻率控制)是一種簡(jiǎn)單的控制方法，通過(guò)改變供電電源(電壓)和提供給定子的頻率來(lái)改變馬達(dá)的扭矩和轉(zhuǎn)速。這種方法相當(dāng)簡(jiǎn)單，甚至用8/16位微處理器也能完成設(shè)計(jì)。不過(guò)，簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)也伴隨著最大的缺陷——缺乏穩(wěn)健可靠的控制。如果負(fù)載在高轉(zhuǎn)速下保持恒定，這種控制方法倒是足夠。但一旦負(fù)載發(fā)生變化，系統(tǒng)就不能快速響應(yīng)，從而導(dǎo)致能量損失。　

相比而言，F(xiàn)OC能夠提供嚴(yán)格的馬達(dá)控制。這種方法旨在讓定子電流和磁場(chǎng)保持正交狀態(tài)(即成90度角)，以實(shí)現(xiàn)最大扭矩。由于系統(tǒng)獲得的磁場(chǎng)相關(guān)信息是恒定的(不論是從編碼器獲得，還是在無(wú)傳感器工作狀態(tài)下的估算)，它可以精確地控制定子電流，以實(shí)現(xiàn)最大機(jī)械扭矩。

一般來(lái)說(shuō)FOC比較復(fù)雜，需要32位處理器和硬件加速功能。原因在于這種方法需要幾個(gè)計(jì)算密集型模塊，比如克拉克變換、帕克變換等，用于完成三維或二維坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換，以抽取電流相對(duì)磁通的關(guān)系信息。

如圖1所示，控制馬達(dá)所需考慮的輸入包括目標(biāo)扭矩指令、供電電流和轉(zhuǎn)子角。根據(jù)這些參數(shù)完成轉(zhuǎn)換和計(jì)算，計(jì)算出電力電子的新驅(qū)動(dòng)值。完成一個(gè)周期的FOC所需的時(shí)間被稱(chēng)為環(huán)路時(shí)間。不出所料，環(huán)路時(shí)間越短，系統(tǒng)的響應(yīng)速度就越快。響應(yīng)速度快的系統(tǒng)意味著馬達(dá)能夠迅速針對(duì)負(fù)載做出調(diào)整，在更短的時(shí)間周期內(nèi)完成誤差補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)更加順暢的馬達(dá)運(yùn)行和更高的效率。

圖1：磁場(chǎng)定向控制可以嚴(yán)密地控制馬達(dá)扭矩，提高效率。環(huán)路時(shí)間越短，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快。

一般采用嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)FOC算法，環(huán)路時(shí)間介于50us到100us之間，具體取決于模型和可用的硬件。此外，還可采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)FOC，但無(wú)法保證其確定性。因此大量設(shè)計(jì)借助FPGA硬件加速，來(lái)發(fā)揮這種技術(shù)的確定性和高速處理優(yōu)勢(shì)。使用最先進(jìn)的28nm FPGA技術(shù)，典型FOC電流環(huán)路時(shí)間為1.6us1，相對(duì)采用軟件方法明顯縮短。

由于加強(qiáng)馬達(dá)控制不僅可降低噪聲，而且還能提升效率和精度，因此目前大部分電流環(huán)路都采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且傾向于把速度環(huán)路和位置環(huán)路也遷移到硬件實(shí)現(xiàn)方案中。這種做法是可能的，因?yàn)殡S著數(shù)字電子電路技術(shù)的進(jìn)步，單個(gè)器件擁有足夠強(qiáng)大的運(yùn)算能力。用FPGA實(shí)現(xiàn)的速度控制環(huán)路時(shí)間和位置控制環(huán)路時(shí)間分別為3.6us1和18us1。與傳統(tǒng)軟件方法相比這是顯著的性能提升，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的位置環(huán)路時(shí)間一般在毫秒級(jí)。

調(diào)制

調(diào)制也是提高能效的關(guān)鍵模塊。根據(jù)負(fù)載、性能要求和應(yīng)用需求可以使用不同的調(diào)制方案，而且這些調(diào)制方案對(duì)馬達(dá)控制系統(tǒng)的運(yùn)行影響重大。調(diào)制原理圖(圖2)分析了我們準(zhǔn)備在本文中評(píng)論的幾種調(diào)制方案。　

最基本的調(diào)制方案采用六步進(jìn)調(diào)制法，這代表三相功率橋的6種可能組合(不含111和000空狀態(tài)，該狀態(tài)下所有開(kāi)關(guān)均關(guān)斷)。這種開(kāi)關(guān)方法表示為六邊形的6個(gè)藍(lán)色頂點(diǎn)。六步進(jìn)調(diào)制法對(duì)馬達(dá)施加最大功率，即逆變器的輸出電壓與Vdc相等。

雖然輸出功率大，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)便，但如果馬達(dá)要求高精度和高穩(wěn)健性，則不宜采用六步進(jìn)調(diào)制法。這是因?yàn)轳R達(dá)運(yùn)行在非線性狀態(tài)下，需要從一種狀態(tài)(頂點(diǎn))“跳躍”到另一種狀態(tài)，不能平穩(wěn)運(yùn)行。

要讓馬達(dá)更平穩(wěn)運(yùn)行，可以使用正弦調(diào)制法。正弦調(diào)制法能夠讓馬達(dá)平穩(wěn)運(yùn)行嗎，雖然與六步進(jìn)調(diào)制法相比這種方法略顯復(fù)雜，而且在效率上也沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟孀兤鞯妮敵鰞H為Vdc的一半，基本上是Vdc/2=0.5Vdc。在調(diào)制原理圖上，這表示為紅圈的內(nèi)圈。

圖2: 調(diào)制原理圖

為彌補(bǔ)正弦調(diào)制造成的損耗，空間矢量PWM(SVPWM)調(diào)制法運(yùn)營(yíng)而生。SVPWM可以提供1/√3 Vdc=0.5773 Vdc的電壓。與正弦調(diào)制類(lèi)似，SVPWM也能讓馬達(dá)平穩(wěn)運(yùn)行。在調(diào)制原理圖上，這表示為紅圈的外圈。圖3是正弦調(diào)制法和SVPWM調(diào)制法的波形對(duì)比。

圖3：正弦調(diào)制法和SVPWM調(diào)制法的波形對(duì)比

正弦調(diào)制法和空間矢量調(diào)制法均使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，一種最為常見(jiàn)的工業(yè)調(diào)制技術(shù)。但是脈沖寬度調(diào)制使用固定的調(diào)制頻率，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)供電電壓的控制，故諧波的出現(xiàn)是個(gè)問(wèn)題。諧波是EMI、馬達(dá)振動(dòng)的原因，也是一種能量損耗。

為抑制諧波，可以使用另一種調(diào)制方法，即使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)。脈沖頻率調(diào)制可讓少量脈沖保持固定寬度，并根據(jù)所需的值按不同周期(頻率)進(jìn)行調(diào)制。這種調(diào)制方法可以減少諧波，因諧波會(huì)分散到所有頻率上。

圖4和圖5即為對(duì)PWM和PFM的FFT(快速傅里葉變換)頻率分析的對(duì)比情況?？梢郧宄乜吹絇FM可以消除第三次諧波失真。

圖4：脈沖寬度調(diào)制方案產(chǎn)生的諧波。諧波會(huì)導(dǎo)致能量損耗和馬達(dá)振動(dòng)

圖5：脈沖頻率調(diào)制方案中產(chǎn)生的諧波可分散到所有頻譜上?？床坏街C波尖峰

實(shí)現(xiàn)方案

市場(chǎng)上已經(jīng)有用于三相馬達(dá)的磁場(chǎng)定向控制實(shí)現(xiàn)解決方案。除了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮該實(shí)現(xiàn)方案能否在馬達(dá)運(yùn)行中在SVPWM、正弦PWM和FPM等不同調(diào)制方案間實(shí)時(shí)切換。其他需要考慮的方面有：

- 使用同一器件控制多軸

- 集成實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和更新

- 功能安全設(shè)計(jì)

要達(dá)到本文描述的性能，可以選用Zynq-7000 All Programmable SoC。Zynq-7000 All Programmable SoC完美集成了1GHz 雙核 Cortex A9處理器子系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)(如圖6所示)。SoC子系統(tǒng)內(nèi)置SPI、I2C、UART、CAN、USB、GigE MAC等常見(jiàn)外設(shè)和接口，以及通用存儲(chǔ)器接口。高帶寬AMBA AXI互聯(lián)用于處理器子系統(tǒng)和FPGA之間的直接連接，以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)互聯(lián)。此外，Zynq器件采用靈活的IO標(biāo)準(zhǔn)，便于連接外部器件

圖6：Zynq-7000 All Programmable SoC由嵌入式雙核Cortex A9處理器子系統(tǒng)(灰色)和可編程FPGA邏輯(黃色)組成，為馬達(dá)控制提供一款終極平臺(tái)，可在軟/硬件模塊間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫互操作性

Zynq-7000 AP SoC經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上即可提供一款最佳的馬達(dá)控制平臺(tái)。Cortex A9處理器可用于運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議棧、操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用代碼。它們均以軟件方式運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的總體應(yīng)用管理。對(duì)于FOC算法、調(diào)制實(shí)現(xiàn)方案和供工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用的定制MAC等關(guān)鍵性功能模塊，最好在FPGA架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，以便發(fā)揮硬件加速和高速計(jì)算優(yōu)勢(shì)。由于嵌入式處理器和FPGA架構(gòu)集成在單個(gè)器件中，可以靈活選用軟/硬件架構(gòu)。