基于新一代數(shù)字信號處理技術(shù)的新型電機控制方案

面向電機和功率級動態(tài)特性的高級建模技術(shù)可以大幅提高電機控制效率，確保根據(jù)系統(tǒng)行為的實時變動實行精密控制。通過無傳感器矢量控制技術(shù)，設(shè)計人員可以增強電機系統(tǒng)的性能，降低功耗，并且符合旨在提高能效的新法規(guī)要求。

在過去十年中，隨著永磁體材料的不斷發(fā)展和勘測到的資源越來越容易開采，采用永磁體同步電機(PMSM)的工業(yè)應(yīng)用高性能變速電機越來越多。使用PMSM驅(qū)動的先天優(yōu)勢包括：高扭矩重量比、高功率因數(shù)、響應(yīng)更快、結(jié)實耐用的構(gòu)造、易于維護、易于控制以及高效率。高性能速度和/或位置控制要求準(zhǔn)確判定轉(zhuǎn)軸位置和速度，使相位激勵脈沖與轉(zhuǎn)子位置同步。 因而電機軸上需安裝絕對編碼器和磁性旋轉(zhuǎn)變壓器等速度和位置傳感器。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，這些傳感器會帶來多種弊端，例如：可靠性遞減，易受噪聲影響，成本和重量增加，以及驅(qū)動系統(tǒng)更復(fù)雜等。無傳感器矢量控制則不需要速度/位置傳感器，因而這些問題也就不復(fù)存在。

近年來，關(guān)于PMSM的無傳感器速度和位置控制方法，研究文獻中提出多種解決方案。 針對PMSM驅(qū)動的無傳感器轉(zhuǎn)子位置估計，已開發(fā)出三種基本技術(shù)：

? 基于反電動勢(BEMF)估計的各種技術(shù)? 基于狀態(tài)觀測器和擴展卡爾曼濾波器(EKF)的技術(shù)? 基于實時電機建模的其他技術(shù)

反電動勢技術(shù)

基于反電動勢技術(shù)的位置估計根據(jù)電壓和電流估計磁通量和速度。在較低速度范圍內(nèi)，這種技術(shù)對定子電阻特別敏感。由于機器的反電動勢很小，并且開關(guān)設(shè)備的非線性特征會產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲，因此很難得到關(guān)于機器終端的實際電壓信息。在中高速范圍內(nèi)，利用反電動勢方法可以獲得較好的位置估計，但在低速范圍內(nèi)則不行。

反電動勢電壓的幅度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成比例，因此靜止時無法估計初始位置。所以，從未知轉(zhuǎn)子位置啟動可能伴隨著暫時反向旋轉(zhuǎn)，或者可能導(dǎo)致啟動故障。EKF能夠?qū)﹄S機噪聲環(huán)境中的非線性系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)估計，因而對于PMSM的速度和轉(zhuǎn)子位置估計，似乎是可行且具計算效率的候選方法。

基于空間顯著性跟蹤的技術(shù)利用磁顯著性，適合零速工作，可以估計初始轉(zhuǎn)子位置，而不會受其它參數(shù)影響。針對初始轉(zhuǎn)子位置，主要有兩種基本方法，分別基于脈沖信號注入和正弦載波信號注入。

我們看一個例子。

圖1. 反電動勢與初始啟動的平衡(來源于Bon-Ho Bae)

圖1為無傳感器矢量控制方案的框圖，其中不含位置傳感器?？驁D中，軸間控制的正饋項Vds_和Vqs_可以表示為：

其中，ωr為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。只看內(nèi)置式PMSM (IPMSM)的標(biāo)準(zhǔn)電壓公式，坐標(biāo)系可以表示為：

其中，θerr為實際角度與估計角度之間的差值?，F(xiàn)在重新定位d軸，可以得到：

假定電流PI調(diào)整器將產(chǎn)生小誤差，θerr很小，d軸可以表示為：

在圖1的建議估計器及所導(dǎo)出的公式中，誤差信號Vds_error由PI補償器處理，以導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)子的角度則通過對估計的速度進行積分而算得。其它常見方法用微分法計算速度，但這會使系統(tǒng)易受噪聲影響。Bon-Ho Bae的實驗研究表明，建議估計器能夠為應(yīng)用提供非常準(zhǔn)確且可靠的速度信息。但在零速和低速時，反電動勢電壓不夠高，無法用于所建議的矢量控制。因此，對于從零速度開始的無縫操作，估計器利用恒定幅度和預(yù)定模式頻率來控制電流。這里，同步坐標(biāo)系的角度通過對頻率進行積分而導(dǎo)出(初始啟動方法)。

EKF技術(shù)

我們現(xiàn)在看另一個利用EKF技術(shù)原理的例子(來源于Mohamed Boussak)，并且同樣與初始啟動相結(jié)合。

從PMSM的基本公式開始，將其重寫為四階動態(tài)模型：

其中：

PMSM所產(chǎn)生的扭矩為：

動態(tài)模型基于一些簡單的假設(shè)，忽略正弦反電動勢和渦電流，于是可以得到：

由于d軸和q軸之間存在交叉耦合效應(yīng)，如圖2所示，因此兩個軸的電流無法由電壓Vd和Vq獨立控制。為實現(xiàn)高性能速度控制，需要運用具有去耦正饋補償功能的d軸和q軸電流調(diào)整器。更多信息請參考圖3。

為使IPMSM的扭矩電流比最大，d軸基準(zhǔn)電流i*d設(shè)置為0。q軸基準(zhǔn)電流i*q從速度調(diào)整器的速度誤差獲得，如圖3所示。電流調(diào)整器的輸出提供旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的基準(zhǔn)電壓。在圖3所示的框圖中，用于去耦控制的正饋項ed和eq由下式給出：

正如Boussak所述，兩個補償機制(電流控制和電壓命令)對于確保穩(wěn)定和最優(yōu)控制十分重要，有助于增強矢量控制和弱磁控制。

EKF以其簡單、最佳、易控制和穩(wěn)定可靠，成為應(yīng)用最廣泛的非線性系統(tǒng)跟蹤和估計方法之一。為實現(xiàn)對凸極IPMSM的無傳感器控制，可以利用EKF估計速度和轉(zhuǎn)子位置。電機的線路電壓和負(fù)載扭矩均為系統(tǒng)矢量輸入變量。速度和轉(zhuǎn)子位置是需要估計的兩個幅度，二者與電機電流一起構(gòu)成狀態(tài)矢量。電機電流將是構(gòu)成輸出矢量的唯一可觀測幅度。要對無傳感器IPMSM驅(qū)動實施EKF技術(shù)，雙軸坐標(biāo)系的選擇至關(guān)重要。最佳選擇是采用轉(zhuǎn)子上安裝的d軸和q軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。但估計器的輸入矢量(電流和電壓)取決于轉(zhuǎn)子位置，所以這種方案與IPMSM無傳感器速度控制不兼容。實施過程中可觀察到，轉(zhuǎn)子初始位置的估計誤差可能會將誤差引入EFK相對于實際系統(tǒng)的處理過程中，從而引起嚴(yán)重后果。

對于這種情況，Boussak建議在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中調(diào)準(zhǔn)IPMSM控制。速度和位置僅利用定子電壓和電流測量結(jié)果來估計?；贓KF的觀測器所使用的電機模型含有安裝于定子框架上的固定坐標(biāo)系α-β，因此獨立于轉(zhuǎn)子位置。導(dǎo)出IPMSM在固定坐標(biāo)系中的非線性動態(tài)模型，以完成估計器公式：

兩個定子電流、電機速度和位置用作系統(tǒng)狀態(tài)變量(更高級計算方案請參考Boussak的論文)。

諸如Bon-Ho Bae和Boussak所開發(fā)的部署方法，利用無傳感器控制器的可行性將更高級模型引入實時電機控制方案。

過去5年來，微控制器和DSP制造商一直積極通過新型嵌入式處理器提供足夠的性能和必要的功能， 這是確保設(shè)計人員將現(xiàn)代矢量控制運用于實際的關(guān)鍵因素。

電機效率始于處理器

如今，像ADI公司的最新ADSP-CM40x ARM Cortex-M4系列等增強型處理器正在將性價比提升到新的水平，使得更復(fù)雜電機控制算法的實施開始受到大規(guī)模應(yīng)用解決方案的青瞇。尤其在處理器能力方面——內(nèi)置數(shù)字濾波器功能、高性能浮點能力和擴展數(shù)學(xué)運算能力等都支持更復(fù)雜、集成度更高的算法，以便提供更佳的控制器和控制方案，迫使電機驅(qū)動的效率接近100%。在工業(yè)領(lǐng)域，對運行實時模型估計器的多觀測器模型的改善，無疑將有助于增強：(i)驅(qū)動性能，(ii)系統(tǒng)效率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及(iii)設(shè)計的部署方法。就第(iii)方面而言，MATLAB/Simulink?等圖形系統(tǒng)便能夠簡化設(shè)計流程，促進新算法的開發(fā)。這些工具與執(zhí)行處理器相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的部署方案。與內(nèi)核速度、模數(shù)轉(zhuǎn)換精度和存儲器集成有關(guān)的處理器級改善將使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高的質(zhì)量和性能目標(biāo)，同時加速產(chǎn)品上市。

ADI公司最近推出ADSP-CM40x系列混合信號嵌入式控制器，不僅大幅提升了處理器性能，而且降低了價格，使得以前采用性能受限的處理器和微控制器的電機控制應(yīng)用也能享用DSP水平的性能。借助這種處理性能，電機系統(tǒng)設(shè)計人員可以利用更先進的算法實現(xiàn)更強的系統(tǒng)功能和更高精度，精確判定轉(zhuǎn)軸位置和速度，這樣系統(tǒng)就無需位置和速度傳感器。

用于加速算法處理的閃存，二者均有利于減少片外器件并降低系統(tǒng)整體成本。這些處理器提供性能與片內(nèi)集成度的最佳融合，使得設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)許多系統(tǒng)級設(shè)計目標(biāo)，例如：實時處理更多數(shù)據(jù)，延時更短，將處理任務(wù)集中于單個處理器進行，以及更靈活地優(yōu)化系統(tǒng)接口和控制能力。如今，新技術(shù)正在推動電機系統(tǒng)能力實現(xiàn)范式轉(zhuǎn)換，設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與處理器特性平衡則可實現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)性能和效率。高性能處理器/DSP支持運用現(xiàn)代高效控制理論完成高級系統(tǒng)建模，從而確保所有實時電機系統(tǒng)都能實現(xiàn)最佳電源和控制效率。無傳感器矢量控制的廣泛應(yīng)用勢在必行，必將加速全球提高工業(yè)設(shè)備能效和性能的進程。