基于微控制器上實(shí)現(xiàn)每赫茲的伏特控制技術(shù)

　　到 2035 年，全球每年將消耗超過 35 萬億千瓦時(shí)的電力，高于 2015 年的不到 21 萬億千瓦時(shí)。如今，工業(yè)生產(chǎn)中使用的電機(jī)所需電能的近三分之一。其中許多電機(jī)基于簡單的交流設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兂杀鞠鄬?duì)較低且易于驅(qū)動(dòng)。它們?cè)谀茉词褂梅矫嬉卜浅５托В貏e是在低速時(shí)。然而，這樣的交流電機(jī)并不是天生的浪費(fèi)。通過正確的電子控制形式，它們的效率可以顯著提高。使用當(dāng)今可用的控制技術(shù)，可以將給定工作水平的能耗降低多達(dá) 60%。

　　今天使用的最簡單的控制技術(shù)是每赫茲的伏特。它在概念上既簡單又易于在基本的微控制器上實(shí)現(xiàn)。核心算法利用了交流電機(jī)設(shè)計(jì)的核心特性。每個(gè)電機(jī)都有一個(gè)特征磁化電流和產(chǎn)生的最大磁通和轉(zhuǎn)矩。這些特性與每赫茲的伏特比有關(guān)。電機(jī)通過圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械負(fù)載的移動(dòng)轉(zhuǎn)子布置的定子線圈的切換來轉(zhuǎn)動(dòng)。在線圈之間切換會(huì)迫使轉(zhuǎn)子的磁化元件同步轉(zhuǎn)動(dòng)，以移動(dòng)到磁場(chǎng)保持平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。

　　線圈切換頻率的增加反過來會(huì)增加速度。但是，如果供應(yīng)的電能沒有相應(yīng)增加，則施加的扭矩會(huì)下降。每赫茲電壓控制提供了一種解決問題的簡單方法，方法是隨著頻率的升高增加線路電壓，從而可以將扭矩保持在恒定水平。不幸的是，這種關(guān)系在低速時(shí)并不是特別一致。需要更高的電壓才能在低速下保持高扭矩，但效率會(huì)下降并增加線圈飽和和過熱的可能性。

　　磁場(chǎng)定向控制提供了一種優(yōu)化電機(jī)控制的方法，特別是在低速時(shí)，還提供了使電機(jī)定位控制更加精確的能力。這增加了交流電機(jī)的整體應(yīng)用范圍，有助于降低工業(yè)機(jī)械的成本以及運(yùn)營成本。

　　在磁場(chǎng)定向或磁通矢量控制中，伏特每赫茲控制所暗示的速度和轉(zhuǎn)矩之間的聯(lián)系被打破。磁場(chǎng)定向控制的概念可以使用繞組直流電機(jī)模型來表達(dá)，其中提供給定子和轉(zhuǎn)子的電流是獨(dú)立的。在這個(gè)模型中，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和磁通可以獨(dú)立控制。電機(jī)組內(nèi)由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度決定了磁通量。提供給轉(zhuǎn)子中電磁繞組的電流控制著轉(zhuǎn)矩——因?yàn)榇艌?chǎng)試圖將自己調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)。

　　直流電機(jī)在轉(zhuǎn)子上使用換向器，該換向器執(zhí)行控制定子上的哪些線圈隨時(shí)通電的工作。換向器的設(shè)計(jì)使得電流切換到機(jī)械對(duì)齊的繞組，以在該點(diǎn)產(chǎn)生最大扭矩。因此，繞組的管理方式使磁通量發(fā)生變化，以保持轉(zhuǎn)子繞組與定子中產(chǎn)生的磁場(chǎng)正交。

　　在交流電機(jī)中，只有定子電流受到直接控制。轉(zhuǎn)子通常使用永磁體來提供其磁場(chǎng)。這意味著磁通和轉(zhuǎn)矩依賴于相同的電流。但是面向場(chǎng)的控制提供了幾乎獨(dú)立地操縱它們的能力。在實(shí)踐中，定子磁通是動(dòng)態(tài)控制的，以提供獨(dú)立操縱轉(zhuǎn)矩的能力。通常，可以驅(qū)動(dòng)定子線圈，以便它們產(chǎn)生扭矩或沿定子軸施加力，這種模式不影響旋轉(zhuǎn)。這些方向分別是正交軸和直軸。為了傳遞運(yùn)動(dòng)，每個(gè)線圈依次被驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生高正交力。

　　幾種數(shù)學(xué)變換用于提供電流和電壓變化的能力，以解耦扭矩和磁通量。在磁場(chǎng)定向控制下，流過定子不同部分的電流由一個(gè)矢量表示。矩陣投影將三相時(shí)間和速度相關(guān)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為兩坐標(biāo)時(shí)不變系統(tǒng)。坐標(biāo)通常使用符號(hào)d和q來描述，它們分別代表通量和轉(zhuǎn)矩分量。在 （d，q） 參考系中，施加的扭矩與扭矩分量呈線性關(guān)系。

　　在磁場(chǎng)定向控制下，從電機(jī)接收電信號(hào)并結(jié)合到 （d，q） 坐標(biāo)模型中。該模型通常是相對(duì)于轉(zhuǎn)子計(jì)算的，從而更容易計(jì)算所需的通量。用于計(jì)算的典型方法是配對(duì) Clarke 和 Park 變換。

　　Clarke 變換從不同相位（通常是三個(gè)相位）獲取電流，并使用它們?cè)诘芽栕鴺?biāo)系中估計(jì)電流。這些系統(tǒng)的軸使用符號(hào) alpha 和 beta 而不是傳統(tǒng)的 x 和 y，以減少與空間坐標(biāo)系混淆的可能性。然后將這些應(yīng)用于 Park 變換，以提供在旋轉(zhuǎn) （d，q） 坐標(biāo)系中看到的當(dāng)前向量。三角函數(shù)提供了轉(zhuǎn)換的核心，需要使用微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP）。

　　通過 Clarke 和 Park 變換，（d，q） 空間中電流矢量的磁通和轉(zhuǎn)矩分量是從饋入每個(gè)電相的電流和轉(zhuǎn)子磁通位置導(dǎo)出的，在大多數(shù)描述中采用符號(hào) theta算法。這種結(jié)構(gòu)適用于一系列電機(jī)。逆帕克變換用于產(chǎn)生電壓輸出，然后將其用于控制??三相中每一相的功率的算法中。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖 1：用于磁場(chǎng)定向控制的變換和控制塊的基本配置。

　　通過簡單地改變磁通參考并獲得轉(zhuǎn)子磁通位置，可以使用相同的核心結(jié)構(gòu)來控制同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。在同步永磁電機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁通是固定的，因?yàn)樗捎来朋w決定。感應(yīng)電機(jī)需要產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通才能運(yùn)行，因此這將作為非零值并入磁通參考中。

　　磁場(chǎng)定向控制成功的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)子磁通位置的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。這種控制策略有一個(gè)復(fù)雜性。在交流感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部，轉(zhuǎn)子的速度與驅(qū)動(dòng)它的磁通量旋轉(zhuǎn)的速度不匹配。轉(zhuǎn)子往往滯后，導(dǎo)致稱為滑差速度的差異。在舊方案中，電機(jī)制造商使用傳感器來分析轉(zhuǎn)子位置，但這會(huì)導(dǎo)致不必要的額外成本。在實(shí)踐中，可以使用來自電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的電壓和電流的反饋來補(bǔ)償滑差。

　　許多系統(tǒng)使用測(cè)量的反電動(dòng)勢(shì)來估計(jì)轉(zhuǎn)子滑差。反電動(dòng)勢(shì)電壓的大小與轉(zhuǎn)子的速度成正比。但是，使用該輸入直接在低速或靜止時(shí)會(huì)導(dǎo)致問題，并且不容易估計(jì)初始位置。從未知的轉(zhuǎn)子位置啟動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)意外反轉(zhuǎn)一小段距離或完全啟動(dòng)失敗。簡單地對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣的另一個(gè)缺點(diǎn)是它對(duì)定子電阻的敏感性，定子電阻容易隨溫度變化。

　　基于間接模型的方案提供了更好的性能。計(jì)算開銷和性能之間存在很大的權(quán)衡，但總的來說，通過使用更復(fù)雜的基于模型的算法可以提高效率，尤其是在低速時(shí)?；谀Ｐ偷拈g接方案根據(jù)可用的傳感器讀數(shù)估計(jì)這些的實(shí)時(shí)值。

　　與反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)一樣，核心問題是確定電機(jī)的起點(diǎn)。一種解決方案是從初始狀態(tài)的估計(jì)開始，從該初始狀態(tài)可以推導(dǎo)出預(yù)測(cè)輸出的向量，并將其與測(cè)量的輸出向量進(jìn)行比較。該差異用于校正模型的內(nèi)部狀態(tài)向量。但是，噪聲會(huì)破壞模型的穩(wěn)定性。

　　擴(kuò)展卡爾曼濾波器可以補(bǔ)償噪聲和突發(fā)干擾的影響?？柭鼮V波器的架構(gòu)允許被認(rèn)為具有較低不確定性的更新被賦予比估計(jì)具有更大不確定性的更新更高的權(quán)重。過濾器以遞歸方式工作，因此每次估計(jì)只需要一組新讀數(shù)和過濾器的先前狀態(tài)即可生成新狀態(tài)。

　　卡爾曼濾波器采用兩個(gè)主要階段：預(yù)測(cè)和更新。在預(yù)測(cè)階段，濾波器根據(jù)前一個(gè)狀態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的下一個(gè)狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)算法的情況下，它提供最后已知的速度和加速度值。由此，過濾器計(jì)算當(dāng)前位置的預(yù)測(cè)。

　　在更新階段，將新采樣的電壓和電流值與其預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。輸入數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)越接近，錯(cuò)誤概率越低。這個(gè)錯(cuò)誤概率反饋到卡爾曼濾波器增益中。在算法級(jí)別，卡爾曼濾波器依賴于許多矩陣乘法和求逆。因此，在電機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展卡爾曼濾波器的關(guān)鍵是高算術(shù)性能，與磁場(chǎng)定向控制的其他方面相同。

　　為了在實(shí)時(shí)電機(jī)控制情況下實(shí)現(xiàn)每秒所需的許多算術(shù)運(yùn)算，需要高性能的 MCU 或 DSP。德州儀器 （ Texas Instruments ） 生產(chǎn)的TMS320F2833x 系列器件旨在處理交流電機(jī)應(yīng)用的典型計(jì)算負(fù)載，并由各種片上外圍設(shè)備支持，以幫助與電源轉(zhuǎn)換電子設(shè)備集成。

　　TMS320F2833x 圍繞具有浮點(diǎn)支持的高性能 32 位 CPU 構(gòu)建，符合 IEEE754 單精度算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過實(shí)施符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)單元，TMS320F2833x 簡化了算法開發(fā)，因?yàn)樗梢蕴幚矸浅挼臄?shù)字范圍，并內(nèi)置支持非數(shù)字 （NaN） 和除零條件等錯(cuò)誤。與雙 16 x 16 乘加 （MAC） 單元耦合的哈佛架構(gòu)為基于矩陣和投影的運(yùn)算提供了高吞吐量。為了提高精度，這些單元可以連接在一起以執(zhí)行 32 x 32 MAC。片上外設(shè)包括一個(gè) 16 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），用于對(duì)來自電機(jī)的電壓和電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣。

　　作為 C2000 系列 DSP 增強(qiáng)型 MCU 的成員，TMS320F2833x 得到 TI 數(shù)字電機(jī)控制庫的支持，該庫提供可重復(fù)使用的可配置軟件塊來實(shí)施各種控制策略。該庫由表示為塊的函數(shù)組成，除了用于閉環(huán)操作的控制塊和用于脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 等功能的外圍驅(qū)動(dòng)程序之外，這些函數(shù)還提供 Clarke 和 Park 等變換。

　　在電機(jī)控制情況下，PWM 輸出控制六個(gè)功率晶體管，它們共同向三個(gè)電氣相位提供電壓和電流。每個(gè)相位都使用半橋晶體管配置。在這些情況下用于控制的常用算法是空間矢量 PWM。與更簡單的 PWM 技術(shù)相比，這減少了諧波，并采用了八種開關(guān)狀態(tài)。有六個(gè)活動(dòng)狀態(tài)和兩個(gè)零狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)都是八個(gè)對(duì)應(yīng)空間向量的目標(biāo)狀態(tài)。這些狀態(tài)以這樣一種方式排列，即兩組互補(bǔ)狀態(tài)在任何時(shí)候都處于活動(dòng)狀態(tài)。一組用于三個(gè)高側(cè)功率晶體管，另一組用于低側(cè)。該算法循環(huán)通過狀態(tài)以根據(jù)磁場(chǎng)定向控制模型的要求將電源切換到狀態(tài)。TMS320F2833x 包括適用于采用空間矢量開關(guān)的軟件控制的 PWM 硬件?？偣?18 個(gè) PWM 輸出中有 6 個(gè)支持高精度控制，分辨率為 150 ps。結(jié)果是一個(gè)數(shù)字控制器，需要相對(duì)較少的外部硬件來管理功率晶體管，如圖 2 所示。

　　圖 2：框圖，顯示了 F2833x 的 PWM 輸出對(duì)電源相位的控制。

　　結(jié)論

　　利用具有必要核心和高性能構(gòu)建塊的微控制器，結(jié)合 TI 數(shù)字電機(jī)控制庫，設(shè)計(jì)人員可以驅(qū)動(dòng)新一代高效交流電機(jī)。