如何實現(xiàn)向高級電機(jī)控制的轉(zhuǎn)變

Microchip高級營銷工程師-II

Nelson Alexander

基于采用無傳感器磁場定向控制（FOC）的永磁同步電機(jī)（PMSM）的高級電機(jī)控制系統(tǒng)快速普及，這種現(xiàn)象的背后有兩個主要驅(qū)動因素：提高能效和加強(qiáng)產(chǎn)品的差異化。雖然有證據(jù)表明采用無傳感器FOC的PMSM可以實現(xiàn)這兩個目標(biāo)，但需要一個可提供整體實現(xiàn)方法的設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)才能取得成功。利用整體的生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計人員能夠克服實現(xiàn)過程中阻礙系統(tǒng)采用的各種挑戰(zhàn)。

為什么選擇PMSM？

PMSM電機(jī)是一種使用電子換向的無刷電機(jī)。它經(jīng)常與無刷直流電機(jī)（BLDC）混淆，后者是無刷電機(jī)系列的另一個成員，也使用電子換向，但在結(jié)構(gòu)上略有不同。PMSM的結(jié)構(gòu)可針對FOC進(jìn)行優(yōu)化，而BLDC電機(jī)經(jīng)過優(yōu)化后可使用6步換向技術(shù)。經(jīng)過優(yōu)化后，PMSM可獲得正弦波反電動勢（Back-EMF），而BLDC電機(jī)則獲得梯形波反電動勢。

這些電機(jī)各自使用的轉(zhuǎn)子位置傳感器也不同。PMSM通常使用一個位置編碼器進(jìn)行操作，而BLDC電機(jī)則使用三個霍爾傳感器進(jìn)行操作。如果考慮到成本，設(shè)計人員可以考慮實施無傳感器技術(shù)，以省去磁體、傳感器、連接器和接線的成本。去除傳感器還有助于提高可靠性，因為這會減少系統(tǒng)中可能發(fā)生故障的元件數(shù)量。當(dāng)比較無傳感器PMSM和無傳感器BLDC時，使用FOC算法的無傳感器PMSM可提供更出色的性能，而使用類似硬件設(shè)計的實現(xiàn)成本相當(dāng)。

轉(zhuǎn)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(yīng)電機(jī)（ACIM）的應(yīng)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(wěn)的轉(zhuǎn)矩、更低的可聞噪音、更長的使用壽命和更小巧的尺寸，從而使應(yīng)用更具競爭力。但是，要想實現(xiàn)使用PMSM的這些好處，開發(fā)人員需要實現(xiàn)更復(fù)雜的FOC控制技術(shù)以及其他應(yīng)用特定算法，才能滿足系統(tǒng)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。

實現(xiàn)中的挑戰(zhàn)

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)

但是，要實現(xiàn)使用PMSM的優(yōu)勢，需要了解實現(xiàn)高級FOC電機(jī)控制技術(shù)時固有的硬件復(fù)雜性，同時還需要掌握這一領(lǐng)域的專業(yè)知識。圖1給出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(guān)聯(lián)的高分辨率PWM信號，以及大量需要信號調(diào)理的模擬反饋信號。此系統(tǒng)還需要硬件保護(hù)功能來實現(xiàn)容錯，同時利用高速模擬比較器實現(xiàn)了快速響應(yīng)。實現(xiàn)傳感、控制和保護(hù)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(jī)設(shè)計或簡單的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(jī)控制應(yīng)用定義元件規(guī)格和進(jìn)行驗證所需的開發(fā)時間。 要應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計人員可以選擇一款合適的單片機(jī)，以實現(xiàn)與專為PMSM電機(jī)控制量身定制的器件規(guī)格的高度模擬集成。這將會減少所需的外部元件數(shù)量并優(yōu)化物料清單（BOM）。高度集成的電機(jī)控制器件現(xiàn)已具有高分辨率PWM，可簡化高級控制算法、用于精密測量和信號調(diào)理的高速模擬外設(shè)、功能安全所需的硬件外設(shè)，以及用于通信和調(diào)試的串行接口的實現(xiàn)。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)無傳感器FOC的框圖

此外，還有一個較大的挑戰(zhàn)，即電機(jī)控制軟件與電機(jī)的電機(jī)械行為之間的交互。圖2給出了標(biāo)準(zhǔn)的無傳感器FOC框圖。要將其從概念轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H的設(shè)計，需要了解控制器架構(gòu)和數(shù)字信號處理器（DSP）指令，以實現(xiàn)數(shù)學(xué)計算密集的時間關(guān)鍵控制環(huán)。

為實現(xiàn)可靠的性能，控制環(huán)必須在一個PWM周期內(nèi)執(zhí)行。必須對控制環(huán)的時間進(jìn)行優(yōu)化，具體包括以下三個原因：

1） 限制：使用不低于20 kHz的PWM開關(guān)頻率（時長為50 μs），以抑制來自逆變器開關(guān)的噪聲。

2） 為實現(xiàn)帶寬更高的控制系統(tǒng)，控制環(huán)必須在一個PWM周期內(nèi)執(zhí)行。

3） 為支持其他后臺任務(wù)（如系統(tǒng)監(jiān)視、應(yīng)用特定功能和通信），控制環(huán)需要以更快的速度運(yùn)行。因此，F(xiàn)OC算法的目標(biāo)應(yīng)該是在10 μs以內(nèi)執(zhí)行。

許多制造商提供了利用無傳感器估算器來估算轉(zhuǎn)子位置的FOC軟件示例。但是，在使電機(jī)開始轉(zhuǎn)動之前，F(xiàn)OC算法必須配置各種參數(shù)以匹配電機(jī)和硬件。必須對控制參數(shù)和系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足所需的速度和效率目標(biāo)。可以通過結(jié)合以下方法實現(xiàn)這一目標(biāo)：1） 使用電機(jī)數(shù)據(jù)手冊獲得參數(shù)；2） 反復(fù)進(jìn)行試驗。電機(jī)數(shù)據(jù)手冊并不能始終對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的表征，或者設(shè)計人員無法獲得高精度測量設(shè)備，在這種情況下，開發(fā)人員將不得不借助反復(fù)試驗的方法。這種手動調(diào)整的過程需要時間和經(jīng)驗。

PMSM電機(jī)用于許多不同的應(yīng)用，運(yùn)行在不同的環(huán)境中，或者存在不同的設(shè)計限制。例如，在汽車散熱器風(fēng)扇中，當(dāng)電機(jī)即將啟動時，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(zhuǎn)。在這種情況下，啟動采用無傳感器算法的PMSM電機(jī)是一個挑戰(zhàn)，而且有可能損壞逆變器。一種解決方案是檢測旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)子位置，并利用這些信息在啟動電機(jī)前通過主動制動將電機(jī)減速至靜止?fàn)顟B(tài)。同樣，還可能有必要實施附加算法，如每安培最大轉(zhuǎn)矩（MTPA）、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和磁場弱化［1］等。這些類型的應(yīng)用特定附加算法對于開發(fā)實用解決方案必不可少，但它們也會延長開發(fā)時間并使軟件驗證復(fù)雜化，進(jìn)而增加設(shè)計復(fù)雜程度。

圖3：FOC的應(yīng)用框架

降低復(fù)雜程度的一種解決方案是，設(shè)計人員創(chuàng)建一個模塊化軟件架構(gòu)，這種架構(gòu)可將應(yīng)用特定算法添加到FOC算法中，同時不影響時間關(guān)鍵型執(zhí)行。圖3給出了典型的實時電機(jī)控制應(yīng)用程序的軟件架構(gòu)。此框架的核心是FOC函數(shù)，該函數(shù)提供了硬時序約束和許多應(yīng)用特定的附加功能?？蚣軆?nèi)的狀態(tài)機(jī)將這些控制功能與主應(yīng)用程序連接起來。這種架構(gòu)需要在軟件函數(shù)塊之間有一個定義明確的接口，以使其實現(xiàn)模塊化并簡化代碼維護(hù)工作。模塊化框架支持不同應(yīng)用特定算法與其他系統(tǒng)監(jiān)視、保護(hù)和功能安全程序的集成。

模塊化架構(gòu)的另一個好處是將外設(shè)接口層（或硬件抽象層）從電機(jī)控制軟件中分離出來，這便于設(shè)計人員在應(yīng)用功能和性能需求發(fā)生變化時，將其IP從一個電機(jī)控制器無縫遷移到另一個電機(jī)控制器。

完整生態(tài)系統(tǒng)的需求

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要一個為無傳感器FOC量身打造的電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)。電機(jī)控制器、硬件、軟件和開發(fā)環(huán)境應(yīng)協(xié)同工作，以簡化實現(xiàn)高級電機(jī)控制算法的過程。 為實現(xiàn)這一目標(biāo)，此生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有以下特性：

1.一種用于自動執(zhí)行電機(jī)參數(shù)測量、設(shè)計控制環(huán)和生成源代碼的高級工具，可讓沒有領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)FOC電機(jī)控制，并編寫和調(diào)試非常耗時的復(fù)雜時間關(guān)鍵型代碼

2.適用于FOC和不同應(yīng)用特定附加算法的應(yīng)用框架，用于縮短開發(fā)和測試時間

3.具有確定性響應(yīng)的電機(jī)控制器以及可在單芯片中實現(xiàn)信號調(diào)理和系統(tǒng)保護(hù)的集成模擬外設(shè)，用于降低解決方案總成本

圖4：Microchip電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

圖4給出了一個電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)的示例，其中包括應(yīng)用框架和一個用于高性能dsPIC33電機(jī)控制數(shù)字信號控制器（DSC）的開發(fā)套件。此開發(fā)套件在基于GUI的FOC軟件開發(fā)工具的基礎(chǔ)上構(gòu)建，可以測量關(guān)鍵的電機(jī)參數(shù)并自動調(diào)整反饋控制增益。此外，它還可為利用電機(jī)控制應(yīng)用框架（MCAF）在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建的項目生成所需的源代碼。解決方案協(xié)議棧的核心是電機(jī)控制庫，這種庫可以實現(xiàn)應(yīng)用程序的時間關(guān)鍵型控制環(huán)功能，并與dsPIC33 DSC的電機(jī)控制外設(shè)交互。此GUI可與多個可用的電機(jī)控制開發(fā)板配合使用，支持電機(jī)參數(shù)提取并為各種低壓和高壓電機(jī)生成FOC代碼。

對高能效和產(chǎn)品差異化的需求推動了向無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)變。全面的電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)可提供一種整體方法來簡化基于PMSM的無傳感器FOC的實現(xiàn)，這種方法應(yīng)包含專用的電機(jī)控制器、快速原型開發(fā)板和可自動生成代碼的易用FOC開發(fā)軟件。

參考資料

［1］ TB3220-利用角度跟蹤鎖相環(huán)估算器實現(xiàn)面向家用電器的永磁同步電機(jī)（表面貼裝和內(nèi)置）的無傳感器磁場定向控制：http://www.microchip.com.cn/newcommunity//Uploads/202003/5e65d169337d8.pdf

［2］ motorBench?開發(fā)套件：https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motorbench-development-auto-tuning

［3］ 電機(jī)控制設(shè)計資源：https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive

［4］ 電機(jī)控制庫：https://www.microchip.com/design-centers/motor-control-and-drive/motor-control-library