三相電機(jī)的磁場定向控制

電動(dòng)馬達(dá)在今天的工業(yè)和日常生活中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。各種應(yīng)用--從家電到汽車和重工業(yè)機(jī)器人--都采用無刷直流（BLDC）和交流電機(jī)，因?yàn)樗鼈兡苄Ц?，可定制性更廣。交流和BLDC電機(jī)在許多應(yīng)用中都是首選，因?yàn)樗鼈兊娜秉c(diǎn)很少，如微控制器成本和復(fù)雜的控制算法。本系列博客將討論一些不同的電機(jī)控制方案，首先是BLDC或交流電機(jī)的磁場定向控制（FOC）。

FOC是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)的最有效方式之一。FOC的主要目標(biāo)是保持正交的定子和轉(zhuǎn)子磁場以產(chǎn)生最大扭矩。一種方法是不斷監(jiān)測三個(gè)時(shí)變相電流，并調(diào)制每個(gè)施加的相電壓以實(shí)現(xiàn)正確的時(shí)變定子磁場方向。然而，這說起來容易做起來難，而且由于硬件/軟件要求增加，在實(shí)踐中也很困難。

在磁場定向控制中，時(shí)變電流仍被監(jiān)測并投影到一個(gè)靜止的參照坐標(biāo)系上，在那里它們被分解成轉(zhuǎn)矩 （q軸）和場通量（d軸） 分量。這在數(shù)學(xué)上是通過克拉克變換（Clarke transformation）和帕克變換（Park transformation）完成的，這有助于在一個(gè)時(shí)間不變的參照坐標(biāo)系內(nèi)直接控制轉(zhuǎn)矩，減少控制的復(fù)雜性和帶寬要求。

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圖 1：用克拉克變換（Iα 和 Iβ）投影三相電流，然后通過 帕克變換投影到線性 d，q 旋轉(zhuǎn)參照坐標(biāo)系

然后，指令的d-q軸分量被轉(zhuǎn)換回3相時(shí)變系統(tǒng)，以通過逆變器開關(guān)的PWM控制正確調(diào)制3相電流。

但是，轉(zhuǎn)子的磁場角必須是已知的，以保持正交的定子和轉(zhuǎn)子磁場。這可通過編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器的位置反饋來實(shí)現(xiàn)（有傳感器），也可通過反電動(dòng)勢/磁通觀測器軟件來測量相電流以估計(jì)轉(zhuǎn)子角（無傳感器）。編碼器一般分為兩類：增量式和絕對式。增量式編碼器可測量相對角位置和旋轉(zhuǎn)方向，但不能提供零速時(shí)的絕對位置信息。例如，對于增量式正交編碼器，正交相位的兩個(gè)A/B脈沖信號(hào)表示相對角運(yùn)動(dòng)（例如，每轉(zhuǎn)1000個(gè)脈沖），有時(shí)還提供附加的Z索引信號(hào)以提供參考點(diǎn)。A/B信號(hào)的相對相位的極性（例如，A滯后B或B滯后A）表示旋轉(zhuǎn)方向。絕對編碼器通過各種數(shù)字編碼提供真實(shí)的角位置。然而，由于信號(hào)數(shù)量和帶寬要求的增加，它們往往需要通信總線將信號(hào)發(fā)送到控制器（例如，16位位置編碼）。

相電流檢測

無論為FOC選擇的是有傳感器還是無傳感器的實(shí)現(xiàn)方式，都必須準(zhǔn)確測量相電流以保持精確的扭矩控制。測量相電流的最常用方法是在逆變器級(jí)中使用分流電阻器在每個(gè)低側(cè) MOSFET 的源極和地之間進(jìn)行低側(cè)檢測。由于分流器的共模電壓降低，可使用低成本電流檢測放大器。高側(cè)（串聯(lián)）相電流檢測通常需要昂貴的專業(yè)的高共模抑制比CMRR或隔離放大器電路來減輕共模電壓誤差，因?yàn)楣材ｋ妷涸赑WM頻率下大致在直流輸入電壓和地之間波動(dòng)。

理想情況下，所有三個(gè)相位的電流都是同時(shí)測量的，但有可能減少分流電阻器的數(shù)量，從而降低系統(tǒng)成本和功率損耗，但會(huì)增加電流檢測帶寬和軟件復(fù)雜性。雙分流架構(gòu)依靠基爾霍夫電流定律（Kirchhoff’s current law），從兩個(gè)測量電流計(jì)算未測量電流（例如，流入 U 和 V 相的電流等于流出 W 相的電流）。單分流器架構(gòu)需要了解逆變器開關(guān)狀態(tài)才能將測量電流與實(shí)際相電流相關(guān)聯(lián)。通常，用于確定所有相電流的測量精度會(huì)隨著分流電阻數(shù)量的減少（從 3 個(gè)減少到 1個(gè)）而降低。因此，需要更快的測量電路，并且總系統(tǒng)延遲成為一個(gè)更重要的因素。此外，在跟蹤檢測的正確時(shí)刻和確定從測量電流到實(shí)際相電流的相關(guān)性方面，軟件的復(fù)雜性也會(huì)增加，在單分流架構(gòu)中最為明顯。

下面的圖 2 和圖 3 舉例說明了有傳感器和無傳感器 FOC 電機(jī)控制系統(tǒng)。

有傳感器FOC

圖 2：有傳感器 FOC 電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

圖 2 顯示了使用正交編碼器的有傳感器 FOC 實(shí)施所需的信號(hào)。反饋至少需要 1-3 個(gè)電流檢測輸入（取決于分流架構(gòu)）到 ADC 和正交 A/B/Z 信號(hào)的 3 個(gè) GPIO 引腳。還必須為編碼器供電。

無傳感器 FOC

圖3：無傳感器 FOC 電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

圖 3 顯示了實(shí)施無傳感器 FOC所需的信號(hào)。根據(jù)分流架構(gòu)，ADC 至少需要一到三個(gè)電流檢測輸入來提供反饋。

電機(jī)開發(fā)套件STR-1KW-MDK-GEVK和STR-MDK-4KW-65SPM31-GEVK是兩個(gè)全面的電機(jī)控制方案，它們采用大功率模塊，以有傳感器和無傳感器 FOC 控制來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

保護(hù)功能

過流保護(hù) （OCP）

對于 FOC，由于低側(cè)電流檢測已用于控制，這些相同的信號(hào)也可用于 OCP。然而，如前所述，低側(cè)電流檢測只能檢測逆變器級(jí)和電機(jī)中的故障?？梢詫?shí)施額外的 高側(cè) 總線電流檢測電路，以防止電源下游的其他故障。

硬件、軟件或兩者都可實(shí)現(xiàn)OCP。通常，基于硬件的OCP將提供更快的響應(yīng)，但基于軟件的OCP更靈活。ADC的滿量程電流測量范圍限制了基于軟件的OCP的最大觸發(fā)點(diǎn)。硬件/軟件的組合實(shí)現(xiàn)可用于實(shí)現(xiàn)鎖存OCP，以快速緩解災(zāi)難性的硬故障，而基于軟件的OCP可控制動(dòng)態(tài)事件，如逐周期相位電流限制。

過壓保護(hù) （OVP）

在特定應(yīng)用中，如再生制動(dòng)可能導(dǎo)致直流母線上的電壓過高，可能有必要通過二極管箝位或撬棍電路實(shí)現(xiàn)HW OVP?；谲浖腛VP也可以通過監(jiān)測直流母線來實(shí)現(xiàn)，并通過禁用逆變器輸出來保護(hù)電機(jī)免受高于電機(jī)額定電壓的潛在破壞電壓。

過溫保護(hù) （OTP）

監(jiān)控逆變器 MOSFET 和/或電路板溫度對于所有控制方法通常是個(gè)好主意，尤其是當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)受不同環(huán)境溫度的影響或冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)。例如，PWM 占空比限制可隨著溫度的升高而動(dòng)態(tài)降低，熱監(jiān)控也可幫助確定器件隨時(shí)間的退化。

MOSFET 門極驅(qū)動(dòng)器

逆變器MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)器的選擇對于任何電機(jī)控制系統(tǒng)來說都是至關(guān)重要的，而且應(yīng)該明確地根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行選擇。不當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動(dòng)器選擇可能會(huì)導(dǎo)致性能顯著下降，甚至是災(zāi)難性的系統(tǒng)故障。

安森美有多種單相HS-LS MOSFET門極驅(qū)動(dòng)器，如NCP51530和FAN73933，可用于每個(gè)逆變器相位（共3個(gè)）。但對于3相電機(jī)控制，也可選擇使用專門的集成3相門極驅(qū)動(dòng)器，包括FAN7388、FAN73896和FAN7888。一般來說，三個(gè)單相門極驅(qū)動(dòng)器的原始性能比集成三相方案更好，因?yàn)榕c每一相的耦合更緊密。然而，集成的三相驅(qū)動(dòng)器通常還實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制應(yīng)用中常見的輔助功能，降低了硬件的復(fù)雜性、元件數(shù)量和電路板尺寸。另外，一些門極驅(qū)動(dòng)器具有自動(dòng)互補(bǔ)門極驅(qū)動(dòng)輸出和死區(qū)插入的功能，這允許單個(gè)PWM輸出（所需的PWM控制器信號(hào)從6個(gè)減到3個(gè)）來控制每個(gè)逆變器相位。請注意，此功能不適合某些PWM方案。

結(jié)合基本保護(hù)技術(shù)，F(xiàn)OC 可成為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最有效方法之一，也是在各種應(yīng)用中提高電動(dòng)機(jī)控制和精度的好方法。

審核編輯：郭婷